レーザーアブレーション

レーザーアブレーションまたは光アブレーション（レーザーブラスト^{[1] [2] [3]とも呼ばれる）は、}レーザービームを固体（または場合によっては液体）表面に照射して材料を除去するプロセスです。レーザーフラックスが低い場合、材料は吸収されたレーザーエネルギーによって加熱され、蒸発または昇華します。レーザーフラックスが高い場合、材料は通常プラズマに変換されます。通常、レーザーアブレーションはパルスレーザーで材料を除去することを指しますが、レーザー強度が十分に高い場合は、連続波レーザービームで材料をアブレーションすることも可能です。比較的長いレーザーパルス（ナノ秒パルスなど）は加熱して加工された材料を熱的に変化させたり損傷したりする可能性がありますが、超短レーザーパルス（フェムト秒など）は超短光物質相互作用により加工中に材料への損傷が最小限に抑えられるため、マイクロマテリアルの加工にも適しています。^[4] 光アブレーションには主に深紫外線の エキシマレーザーが使用され、光アブレーションに使用されるレーザーの波長は約200 nmです。

レーザーエネルギーが吸収される深さ、つまり1回のレーザーパルスで除去される材料の量は、材料の光学特性とレーザーの波長およびパルス長によって異なります。レーザーパルスごとにターゲットから除去される総質量は、通常、アブレーション率と呼ばれます。レーザービームの走査速度や走査線の被覆率などのレーザー放射の特性は、アブレーションプロセスに大きな影響を与える可能性があります。^[5]

レーザーパルスは、持続時間（ミリ秒からフェムト秒）とフラックスの非常に広い範囲にわたって変化し、正確に制御できます。このため、レーザーアブレーションは研究と産業の両方の用途で非常に価値があります。

レーザーアブレーションの最も単純な応用は、制御された方法で固体表面から材料を除去することです。 レーザー加工、特にレーザードリリングがその例です。パルスレーザーは、非常に硬い材料に非常に小さく深い穴を開けることができます。非常に短いレーザーパルスは材料を非常に速く除去するため、周囲の材料はほとんど熱を吸収しません。そのため、歯のエナメル質(レーザー歯科) など、繊細な材料や熱に敏感な材料にレーザードリリングを行うことができます。何人かの研究者がレーザーアブレーションとガス凝縮を利用して、金属、金属酸化物、金属炭化物のナノ粒子を生成しました。

また、レーザーエネルギーは、特に金属のコーティングによって選択的に吸収されるため、CO ₂またはNd:YAGパルスレーザーを使用して、下地の表面を損傷することなく、表面を洗浄したり、塗料やコーティングを除去したり、塗装の準備を行ったりすることができます。高出力レーザーは、単一のパルスで広い範囲を洗浄します。低出力レーザーは、領域全体をスキャンできる多数の小さなパルスを使用します。一部の業界では、レーザーアブレーションはレーザー洗浄と呼ばれることがあります。

利点の 1 つは、溶剤を使用しないため環境に優しく、作業者が化学物質にさらされないことです (有害なものが蒸発しないことを前提としています)。^[要出典]自動化は比較的簡単です。ランニング コストはドライ メディアやドライアイス ブラストよりも低くなりますが、設備投資コストははるかに高くなります。このプロセスは研磨技術よりも穏やかで、たとえば複合材料内の炭素繊維は損傷しません。ターゲットの加熱は最小限です。

別の種類のアプリケーションでは、レーザーアブレーションを使用して、除去された材料を他の手段では製造が不可能または困難である新しい形状に加工します。最近の例としては、カーボンナノチューブの製造があります。

レーザー洗浄は、鉄製品からの効率的な錆除去、さまざまな表面からの油やグリースの除去、絵画、彫刻、フレスコ画の修復にも使用されます。レーザーアブレーションは、金型への表面損傷が最小限に抑えられるため、ゴム金型洗浄に好まれる技術の 1 つです。

1995 年 3 月、Guo ら^{[6] は、純粋な}グラファイトのブロックをレーザーでアブレーションし、その後グラファイトと触媒金属を混合したブロックをアブレーションした最初の研究者となった。 [7] 触媒金属は、コバルト、ニオブ、白金^、ニッケル、銅などの元素、またはそれらの 2 元の組み合わせで構成できる。グラファイト粉末、カーボン セメント、および金属をペースト状にして複合ブロックを形成する。次に、このペーストを円筒形の型に入れて数時間焼く。固化後、グラファイト ブロックをオーブン内に入れてレーザーを照射し、レーザー照射方向に沿ってアルゴンガスを送り込む。オーブンの温度は約 1200 °C である。レーザーがターゲットをアブレーションすると、カーボン ナノチューブが形成され、ガスの流れに乗って冷たい銅のコレクター上に運ばれる。電気アーク放電法で形成されたカーボン ナノチューブと同様に、カーボン ナノチューブ ファイバーは、無秩序に絡み合った状態で堆積する。単層ナノチューブはグラファイトブロックと金属触媒粒子から形成されますが、多層ナノチューブは純粋なグラファイト出発物質から形成されます。

このタイプの応用のバリエーションとして、レーザーアブレーションを使用してコーティング材料をソースからアブレーションし、コーティングする表面に堆積させることでコーティングを作成する方法があります。これは、パルスレーザー堆積法(PLD)と呼ばれる特殊なタイプの物理蒸着法であり、^{[8]他の方法では簡単に蒸発できない材料からコーティングを作成できます。このプロセスは、いくつかのタイプの}高温超伝導体やレーザー結晶の製造に使用されます。^[9]

リモートレーザー分光法では、レーザーアブレーションを使用して表面の材料からプラズマを生成します。プラズマから放出される光の波長を分析することで、表面の組成を判定できます。

レーザーアブレーションは、ダイクロイックフィルターから選択的にコーティングを除去してパターンを作成するためにも使用されます。この製品は、高次元投影用の舞台照明や、マシンビジョン機器のキャリブレーションに使用されます。

最後に、レーザーアブレーションは表面に運動量を伝達するために使用できます。これは、アブレーションされた材料が膨張するときにその下の表面に高圧パルスを適用するためです。その効果は、表面をハンマーで叩くのと似ています。このプロセスは、業界で金属表面を加工硬化するために使用されており、レーザー兵器の損傷メカニズムの 1 つです。また、宇宙船のパルスレーザー推進の基礎でもあります。

現在、高圧ガスタービン部品の熱遮断コーティングを除去するためにレーザーアブレーションを使用するプロセスが開発されています。熱入力が低いため、TBC の除去は、下にある金属コーティングと母材への損傷を最小限に抑えて完了できます。

液相レーザーアブレーションは、バルク材料を黒リンなどの2次元（2D）形状に剥離する効率的な方法です。溶媒とレーザーエネルギーを変更することで、2D材料の厚さと横方向のサイズを制御できます。^[10]

レーザーアブレーションは、元素分析および同位体分析のサンプリング方法として使用され、酸性溶液中の固体サンプルを分解するために一般的に必要とされる従来の面倒な手順に代わるものです。レーザーアブレーションサンプリングは、サンプル表面で放出された光子を監視することによって検出されます。この技術は、LIBS（レーザー誘起ブレークダウン分光法）およびLAMIS（レーザーアブレーション分子同位体分光法）と呼ばれます。または、アブレーションされた質量粒子を誘導結合プラズマなどの二次励起源に輸送することによっても検出されます。質量分析（MS）と発光分光法（OES）の両方をICPと組み合わせることができます。化学分析におけるレーザーアブレーションサンプリングの利点には、サンプルの準備が不要、廃棄物が発生せず、サンプル要件が最小限で済む、真空が不要、サンプル分析の所要時間が短い、空間（深さと横方向）分解能、化学マッピングなどがあります。レーザーアブレーション化学分析は、鉱業、地球化学、エネルギー、環境、工業処理、食品安全、法医学^[11]、生物学など、実質的にすべての業界で実行可能です。^{[12] [13]}サンプル内のすべての元素と同位体を測定できる市販の機器があらゆる市場で入手可能です。一部の機器は光学検出と質量検出の両方を組み合わせて分析範囲を広げ、感度のダイナミックレンジを広げています。

レーザーアブレーションは科学の分野で神経やその他の組織を破壊し、その機能を研究するために使用されます。例えば、池のカタツムリの一種であるHelisoma trivolvisは、その感覚神経の使用を防ぐために、カタツムリがまだ胎児のときにレーザーアブレーションで感覚神経を除去することができます。 ^[14]

もう一つの例はPlatynereis dumeriliiのトロコフォア幼生で、幼生眼が除去され、幼生はもはや光走性ではなくなった。^{[15]しかし、} Platynereis dumeriliiのネクトヘータ幼生における光走性は 幼生眼によって媒介されるものではない。なぜなら、幼生眼が除去されても幼生は依然として光走性であるからである。しかし、成虫眼が除去されると、ネクトヘータはもはや光走性ではなくなり、したがってネクトヘータ幼生における光走性は成虫眼によって媒介される。^[16]

レーザーアブレーションは、 Platynereis dumeriliiのような生物の胚発生中に個々の細胞を破壊し、発達中に失われた細胞の影響を研究するため にも使用できます。

医療におけるアブレーションに使用されるレーザーには、アルゴン、二酸化炭素（CO ₂）、染料、エルビウム、エキシマ、Nd:YAGなど、いくつかの種類があります。レーザーアブレーションは、眼科、一般外科、脳神経外科、耳鼻咽喉科、歯科、口腔外科、獣医学など、さまざまな医療専門分野で使用されています。^[17]レーザーメスは、硬組織手術と軟組織手術の両方でアブレーションに使用されます。レーザーアブレーションが使用される最も一般的な手順には、LASIK、^{[18] 、}皮膚リサーフェシング、腔形成、生検、腫瘍および病変の除去などがあります。^[19]硬組織手術では、Er:YAGやNd:YAGなどの短パルスレーザーが、ストレスまたは慣性閉じ込め条件下で組織をアブレーションします。^[20]軟部組織手術では、CO2_レーザービームは切除と焼灼を同時に行うため、最も実用的かつ最も一般的な軟部組織レーザーとなっている。^[21]

レーザーアブレーションは、様々な臓器の良性および悪性病変に使用でき、レーザー誘起組織内温熱療法と呼ばれています。現在、主な用途は良性甲状腺結節の縮小^[22]と原発性および二次性悪性肝病変の破壊です。^{[23] [24]}

レーザーアブレーションは慢性静脈不全の治療にも用いられる。^[25]

アブレーション脳手術も参照してください。

レーザーアブレーションの確立された枠組みは、カガノフとアニシモフによる2温度モデルと呼ばれています。 ^[26]このモデルでは、レーザーパルスからのエネルギーが固体材料に吸収され、電子の動きが直接刺激され、固体の結晶構造の基礎となる格子に熱が伝達されます。したがって、2つの変数は、電子温度自体と格子温度です。それらの微分方程式は、深さの関数として、次のように表されます。 ${\displaystyle T_{e}}$${\displaystyle T_{l}}$${\displaystyle x}$

$${\displaystyle c_{e}{\frac {\partial T_{e}}{\partial t}}={\frac {\partial }{\partial x}}(\kappa _{e}{\frac {\部分 T_{e}}{\部分 x}})-K_{e,l}(T_{e}-T_{l})+Q(t),}$$

$${\displaystyle c_{l}{\frac {\partial T_{l}}{\partial t}}=K_{e,l}(T_{e}-T_{l}).}$$

ここで、およびはそれぞれ電子と格子の比熱、は電子の熱伝導率、は電子と（格子）フォノン系間の熱結合、はバルクに吸収されるレーザーパルスエネルギーであり、通常はフルエンスによって特徴付けられます。レーザーパラメータと、ターゲットが金属か誘電体かによって異なるターゲット内の熱プロセスの時間スケールとの関係に応じて、いくつかの近似値を作成できます。 ${\displaystyle c_{e}}$${\displaystyle c_{l}}$${\displaystyle \kappa_{e}}$${\displaystyle K_{e,l}}$${\displaystyle Q(t)}$

ターゲットの特性評価において最も重要な実験パラメータの 1 つはアブレーションしきい値です。これは、アブレーション プルーム内で特定の原子または分子が観測される最小のフルエンスです。このしきい値はレーザーの波長に依存し、格子内の原子間のレナード ジョーンズ ポテンシャルを仮定し、流体力学的段階と呼ばれる温度変化の特定の時間のみでシミュレートできます。ただし、通常、この値は実験的に決定されます。

2温度モデルは、ケースバイケースで拡張できる。注目すべき拡張の1つはプラズマの生成である。超短パルス（大きなフルエンスを示唆）の場合、レーザーエネルギーがアブレーションプルーム内にイオンを生成するのに十分高いため、クーロン爆発も役割を果たすと提案されている^[26]。クーロン爆発閾値の電場の値は次のように決定されている。

$${\displaystyle E={\sqrt {\frac {2\Lambda n_{0}}{\epsilon \epsilon _{0}}}},}$$

ここで、は原子あたりの昇華エネルギー、は原子格子密度、は誘電率です。 ${\displaystyle \Lambda}$${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle \epsilon}$

パルスレーザーアブレーションの用途によっては、アブレーションされた材料の加工と仕上げに重点が置かれるものもありますが、ターゲットから排出される材料に関心がある用途もあります。この場合、アブレーションプルームの特性をモデル化することがより重要になります。

アニシモフの理論は、真空中で成長する楕円形のガス雲を考慮した。このモデルでは、熱膨張が初期のダイナミクスを支配し、運動エネルギーの影響はほとんどないが^[26]、数式表現は実験装置の仮定と条件に左右される。表面仕上げ、ターゲット上のスポットの前処理、ターゲット表面の法線に対するレーザービームの角度などのパラメータは、プルームダイナミクスの発散角度またはその収量を観察する際に考慮すべき要素である。

• オックスフォード コンサイス医学辞典、2002 年、第 6 版、ISBN 0-19-860459-9