Ablație cu laser și curățare cu laser Allied Scientific Pro
Introducere
Ablația cu laser este un proces prin care un laser pulsat depune o anumită cantitate de energie pe o suprafață și îndepărtează materialul prin evaporare sau sublimare. Laserele CW pot fi utilizate și în ablația cu laser, dar laserele pulsate sunt mai frecvente. Acest proces poate fi folosit pentru a îndepărta un strat de vopsea de pe o suprafață sau contaminarea de pe suprafețele statuilor și monumentelor istorice. Prin urmare, curățarea cu laser se referă la îndepărtarea contaminanților de pe suprafețe prin utilizarea ablației cu laser. Figura 1 de mai jos prezintă procesul de ablație cu laser prin care materialele de pe suprafață sunt vaporizate.
Figura 1: Ablația laser
Tipuri de lasere utilizate în ablația cu laser
Descărcare optică (lămpi cu arc) sau descărcare de gaz
Diferite modele: ArF (193 nm), XeBr (282 nm), XeF (351 nm), etc.
Lămpi cu arc sau diode laser
Este posibilă generarea de armonici (532 nm, 266 nm)
Scump datorită necesității de pompare cu laser
Fibre dopate cu erbio
Utilizarea rețelei de fibră Bragg ca reflector
Tabelul 1: Diferite tipuri de lasere utilizate în ablația cu laser
Cum se alege un laser pentru un anumit material?
Figura 2: Adâncimea de penetrare optică și termică
L T depinde de difuzivitatea termică D T care, la rândul său, depinde de căldura specifică c p și de densitatea materialului ρ, unde D T = k ρ c p (k este conductivitatea termică a materialului). Pentru impulsurile foarte scurte, cum ar fi impulsurile femto-secundare, adâncimile de penetrare termică și optică sunt egale, dar pentru impulsurile mai lungi în regimul pico-secundar sau nano-secundar, adâncimea de penetrare termică devine mai mare și crește odată cu creșterea duratei impulsului. Aceasta este reprezentată de ecuația L T = D T τ L, unde τ L este lățimea impulsului. Pentru a realiza ablația, trebuie depusă suficientă energie pe unitate de suprafață pentru a vaporiza materialul. Această energie este cunoscută sub numele de fluența pragului, F th .
În cazul impulsurilor scurte (F th = ρ H v α care arată clar că densitatea pragului crește odată cu creșterea densității și a căldurii de vaporizare, dar scade odată cu creșterea coeficientului de absorbție.
În cazul impulsurilor pico-secundă și nano-secundă, acest lucru nu mai este cazul, deoarece adâncimea de penetrare termică L T crește odată cu durata impulsului și este mai mare decât adâncimea de penetrare optică. Prin urmare, pragul de fluență F th pentru impulsurile mai mari de 10 ps trebuie calculat dintr-o ecuație diferită care este F th = ρ H v L τ și, prin urmare, crește cu densitatea, căldura de vaporizare și lungimea impulsului.
Se poate modela interacțiunea radiației cu materia și poate înțelege comportamentul procesului de ablație pe baza ecuațiilor modelului. Cu toate acestea, acest lucru depășește domeniul de aplicare al acestui articol și este suficient să prezentăm rezultatele pentru fiecare regim de durată a impulsului. Pentru impulsurile pico-secunde, există o tranziție directă de la solid la vapori, iar caracteristicile ablate sunt netede și ascuțite. Pentru impulsurile pico-secunde există o anumită fizică în fază lichidă care intră în imagine și un anumit material este repozitat după ablație la suprafață. În cele din urmă, pentru impulsurile nano-secundare, există o mulțime de topire și unele vaporizări. Acest lucru determină caracteristici ablate care nu sunt foarte ascuțite și, prin urmare, se observă adesea depunerea materialului la marginea caracteristicilor ablate. Figura 3 de mai jos arată diferența dintre o gaură realizată de un laser fsec și un laser nsec.