La ablación con láser o fotoablación (también llamada voladura con láser [1] [2] [3] ) es el proceso de eliminar material de una superficie sólida (u ocasionalmente líquida) irradiándolo con un rayo láser . Con un flujo láser bajo, el material se calienta mediante la energía láser absorbida y se evapora o sublima . Con un alto flujo de láser, el material normalmente se convierte en plasma . Por lo general, la ablación con láser se refiere a la eliminación de material con un láser pulsado , pero es posible realizar la ablación con un rayo láser de onda continua si la intensidad del láser es lo suficientemente alta. Mientras que los pulsos láser relativamente largos (p. ej. pulsos de nanosegundos) pueden calentar y alterar o dañar térmicamente el material procesado, los pulsos láser ultracortos (p. ej. femtosegundos) causan solo un daño mínimo al material durante el procesamiento debido a la interacción ultracorta de la luz y la materia y, por lo tanto, también son adecuados para micromateriales. Procesando. [4] Los láseres excimer de luz ultravioleta profunda se utilizan principalmente en fotoablación; La longitud de onda del láser utilizado en la fotoablación es de aproximadamente 200 nm.
La profundidad a la que se absorbe la energía del láser y, por tanto, la cantidad de material eliminado por un único pulso láser, depende de las propiedades ópticas del material y de la longitud de onda del láser y de la longitud del pulso. La masa total extraída del objetivo por pulso de láser generalmente se denomina tasa de ablación. Características de la radiación láser como la velocidad de exploración del rayo láser y la cobertura de las líneas de exploración pueden influir significativamente en el proceso de ablación. [5]
Los pulsos láser pueden variar en un rango muy amplio de duración ( de milisegundos a femtosegundos ) y flujos, y pueden controlarse con precisión. Esto hace que la ablación por láser sea muy valiosa tanto para aplicaciones industriales como de investigación.
La aplicación más sencilla de la ablación con láser es eliminar material de una superficie sólida de forma controlada. Ejemplos de ello son el mecanizado por láser y, en particular, el taladrado por láser ; Los láseres pulsados pueden perforar agujeros extremadamente pequeños y profundos en materiales muy duros. Los pulsos láser muy cortos eliminan el material tan rápidamente que el material circundante absorbe muy poco calor, por lo que la perforación con láser se puede realizar en materiales delicados o sensibles al calor, incluido el esmalte dental ( odontología láser ). Varios trabajadores han empleado ablación por láser y condensación de gas para producir nanopartículas de metal, óxidos metálicos y carburos metálicos.
Además, la energía láser puede ser absorbida selectivamente por los recubrimientos, particularmente sobre metal, por lo que los láseres pulsados de CO 2 o Nd:YAG se pueden usar para limpiar superficies, eliminar pintura o recubrimiento, o preparar superficies para pintar sin dañar la superficie subyacente. Los láseres de alta potencia limpian una zona grande con un solo pulso. Los láseres de menor potencia utilizan muchos pulsos pequeños que pueden escanearse en un área. En algunas industrias, la ablación con láser puede denominarse limpieza con láser.
Una de las ventajas es que no se utilizan disolventes, por lo que es respetuoso con el medio ambiente y los operadores no están expuestos a productos químicos (suponiendo que no se vaporice nada perjudicial). [ cita necesaria ] Es relativamente fácil de automatizar. Los costos de funcionamiento son más bajos que los medios secos o la limpieza criogénica , aunque los costos de inversión de capital son mucho más altos. El proceso es más suave que las técnicas abrasivas, por ejemplo, las fibras de carbono dentro de un material compuesto no se dañan. El calentamiento del objetivo es mínimo.
Otra clase de aplicaciones utiliza la ablación láser para procesar el material eliminado en nuevas formas que no son posibles o difíciles de producir por otros medios. Un ejemplo reciente es la producción de nanotubos de carbono .
La limpieza con láser también se utiliza para eliminar eficazmente el óxido de los objetos de hierro; eliminación de aceite o grasa de diversas superficies; restauración de pinturas, esculturas, frescos. La ablación con láser es una de las técnicas preferidas para la limpieza de moldes de caucho debido al mínimo daño superficial del molde.
En marzo de 1995 Guo et al. [6] fueron los primeros en informar sobre el uso de un láser para la ablación de un bloque de grafito puro , y más tarde de grafito mezclado con metal catalítico . [7] El metal catalítico puede estar formado por elementos como cobalto , niobio , platino , níquel , cobre o una combinación binaria de los mismos. El bloque compuesto se forma haciendo una pasta de polvo de grafito, cemento de carbón y metal. A continuación se coloca la pasta en un molde cilíndrico y se hornea durante varias horas. Después de la solidificación, el bloque de grafito se coloca dentro de un horno con un láser apuntando hacia él y se bombea gas argón en la dirección del punto láser. La temperatura del horno es de aproximadamente 1200 °C. A medida que el láser elimina el objetivo, se forman nanotubos de carbono que el flujo de gas transporta hacia un colector de cobre frío. Al igual que los nanotubos de carbono formados mediante la técnica de descarga de arco eléctrico , las fibras de nanotubos de carbono se depositan de forma desordenada y enredada. Los nanotubos de pared simple se forman a partir del bloque de grafito y partículas de catalizador metálico, mientras que los nanotubos de pared múltiple se forman a partir del material de partida de grafito puro.
Una variación de este tipo de aplicación es utilizar la ablación por láser para crear recubrimientos mediante la ablación del material de recubrimiento de una fuente y dejando que se deposite sobre la superficie que se va a recubrir; Este es un tipo especial de deposición física de vapor llamada deposición por láser pulsado (PLD) [8] y puede crear recubrimientos a partir de materiales que no pueden evaporarse fácilmente de ninguna otra manera. Este proceso se utiliza para fabricar algunos tipos de cristales láser y superconductores de alta temperatura . [9]
La espectroscopia láser remota utiliza ablación láser para crear un plasma a partir del material de la superficie; La composición de la superficie se puede determinar analizando las longitudes de onda de la luz emitida por el plasma.
La ablación con láser también se utiliza para crear patrones, eliminando selectivamente el recubrimiento del filtro dicroico . Estos productos se utilizan en iluminación de escenarios para proyecciones de grandes dimensiones o para la calibración de instrumentos de visión artificial.
Finalmente, la ablación con láser se puede utilizar para transferir impulso a una superficie, ya que el material sometido a ablación aplica un pulso de alta presión a la superficie debajo de él a medida que se expande. El efecto es similar al de golpear la superficie con un martillo. Este proceso se utiliza en la industria para endurecer superficies metálicas y es un mecanismo de daño para un arma láser . También es la base de la propulsión láser pulsada de naves espaciales.
Actualmente se están desarrollando procesos para utilizar la ablación por láser en la eliminación del revestimiento de barrera térmica en componentes de turbinas de gas de alta presión. Debido al bajo aporte de calor, la eliminación del TBC se puede completar con un daño mínimo a los revestimientos metálicos subyacentes y al material original.
La ablación con láser en fase líquida es un método eficaz para exfoliar materiales a granel en sus formas bidimensionales (2D), como el fósforo negro. Al cambiar el solvente y la energía del láser, se puede controlar el espesor y el tamaño lateral de los materiales 2D. [10]
La ablación con láser se utiliza como método de muestreo para análisis elemental e isotópico y reemplaza los laboriosos procedimientos tradicionales que generalmente se requieren para digerir muestras sólidas en soluciones ácidas. El muestreo de ablación por láser se detecta monitoreando los fotones emitidos en la superficie de la muestra, una tecnología conocida como LIBS ( espectroscopia de descomposición inducida por láser ) y LAMIS (espectrometría isotópica molecular de ablación por láser), o transportando las partículas de masa extraídas a una fuente de excitación secundaria. como el plasma acoplado inductivamente . Tanto la espectroscopia de masas (MS) como la espectroscopia de emisión óptica (OES) se pueden acoplar al ICP. Los beneficios del muestreo por ablación láser para análisis químicos incluyen la ausencia de preparación de muestras, sin desperdicio, requisitos mínimos de muestra, sin requisitos de vacío, tiempo de respuesta rápido del análisis de muestras, resolución espacial (en profundidad y lateral) y mapeo químico. El análisis químico por ablación por láser es viable para prácticamente todas las industrias, como la minería, la geoquímica, la energía, el medio ambiente, el procesamiento industrial, la seguridad alimentaria, la forense [11] y la biológica. [12] [13] Hay instrumentos comerciales disponibles en todos los mercados para medir cada elemento e isótopo dentro de una muestra. Algunos instrumentos combinan detección óptica y de masas para ampliar la cobertura del análisis y el rango dinámico de sensibilidad.
La ablación con láser se utiliza en la ciencia para destruir nervios y otros tejidos para estudiar su función. Por ejemplo, a una especie de caracol de estanque , Helisoma trivolvis , se le pueden extirpar con láser sus neuronas sensoriales cuando el caracol todavía es un embrión para evitar el uso de esos nervios. [14]
Otro ejemplo es la larva trocófora de Platynereis dumerilii , donde se extirpó el ojo de la larva y las larvas ya no eran fototácticas. [15] Sin embargo, la fototaxis en la larva de nectochaete de Platynereis dumerilii no está mediada por los ojos de la larva, porque la larva sigue siendo fototáctica, incluso si se eliminan los ojos de la larva. Pero si se eliminan los ojos del adulto, entonces el nectoqueto ya no es fototáctico y, por lo tanto, la fototaxis en la larva del nectoqueto está mediada por los ojos del adulto. [dieciséis]
La ablación con láser también se puede utilizar para destruir células individuales durante la embriogénesis de un organismo, como Platynereis dumerilii , para estudiar el efecto de las células faltantes durante el desarrollo.
Hay varios tipos de láser que se utilizan en medicina para la ablación, incluidos argón , dióxido de carbono (CO 2 ), colorante , erbio , excímero , Nd:YAG y otros. La ablación con láser se utiliza en una variedad de especialidades médicas que incluyen oftalmología , cirugía general , neurocirugía , otorrinolaringología , odontología , cirugía oral y maxilofacial y veterinaria . [17] Los bisturíes láser se utilizan para la ablación en cirugías de tejidos duros y blandos . Algunos de los procedimientos más comunes en los que se utiliza la ablación con láser incluyen LASIK , [18] rejuvenecimiento de la piel , preparación de cavidades, biopsias y extirpación de tumores y lesiones. [19] En las cirugías de tejidos duros, los láseres de pulsación corta, como Er:YAG o Nd:YAG, eliminan el tejido bajo estrés o condiciones de confinamiento inercial. [20] En las cirugías de tejidos blandos, el rayo láser de CO2 realiza ablación y cauteriza simultáneamente, lo que lo convierte en el láser de tejidos blandos más práctico y común. [21]
La ablación con láser se puede utilizar en lesiones benignas y malignas en varios órganos, lo que se denomina termoterapia intersticial inducida por láser. Las principales aplicaciones actualmente implican la reducción de nódulos tiroideos benignos [22] y la destrucción de lesiones hepáticas malignas primarias y secundarias. [23] [24]
La ablación con láser también se utiliza para tratar la insuficiencia venosa crónica . [25]
Véase también cirugía cerebral ablativa .
Kaganov y Anisimov denominan un marco bien establecido para la ablación con láser el modelo de dos temperaturas . [26] En él, la energía del pulso láser es absorbida por el material sólido, estimulando directamente el movimiento de los electrones y transfiriendo calor a la red, que subyace a la estructura cristalina del sólido. Así, las dos variables son: la temperatura del propio electrón y la temperatura de la red . Sus ecuaciones diferenciales, en función de la profundidad , están dadas por
Aquí, y son el calor específico de los electrones y la red respectivamente, es la conductividad térmica del electrón, es el acoplamiento térmico entre los sistemas de electrones y fonones (de la red), y es la energía del pulso láser absorbida por la masa, generalmente caracterizada por la fluencia. Se pueden hacer algunas aproximaciones dependiendo de los parámetros del láser y su relación con las escalas de tiempo de los procesos térmicos en el objetivo, que varían entre que el objetivo sea metálico o dieléctrico.
Uno de los parámetros experimentales más importantes para la caracterización de un objetivo es el umbral de ablación, que es la fluencia mínima a la que se observa un átomo o molécula en particular en la columna de ablación. Este umbral depende de la longitud de onda del láser y puede simularse asumiendo el potencial de Lennard-Jones entre los átomos de la red, y sólo durante un tiempo particular de la evolución de la temperatura llamado etapa hidrodinámica. Sin embargo, normalmente este valor se determina experimentalmente.
El modelo de dos temperaturas puede ampliarse caso por caso. Una extensión notable implica la generación de plasma. Para pulsos ultracortos (que sugieren una gran fluencia) se ha propuesto que la explosión de Coulomb también desempeña un papel [26] porque la energía del láser es lo suficientemente alta como para generar iones en la columna de ablación. Se ha determinado un valor para el campo eléctrico para el umbral de explosión de Coulomb, y está dado por
donde es la energía de sublimación por átomo, es la densidad de la red atómica y es la permitividad dieléctrica.
Algunas aplicaciones de la ablación con láser pulsado se centran en el mecanizado y el acabado del material ablacionado, pero otras aplicaciones están interesadas en el material expulsado del objetivo. En este caso, es más importante modelar las características de la columna de ablación.
La teoría de Anisimov consideraba una nube de gas elíptica que crecía en el vacío. En este modelo, la expansión térmica domina la dinámica inicial, con poca influencia de la energía cinética, [26] pero la expresión matemática está sujeta a suposiciones y condiciones en la configuración experimental. Parámetros como el acabado de la superficie, el preacondicionamiento de un punto en el objetivo o el ángulo del rayo láser con respecto a la normal de la superficie del objetivo son factores a tener en cuenta al observar el ángulo de divergencia de la dinámica de la pluma o su rendimiento.
