ablación láser

Finalmente, la ablación láser puede utilizarse para transferir momento a una superficie, ya que el material ablacionado aplica un pulso de alta presión a la superficie subyacente al expandirse. El efecto es similar al de golpear la superficie con un martillo. Este proceso se utiliza en la industria para endurecer superficies metálicas y constituye uno de los mecanismos de daño de un arma láser . También es la base de la propulsión láser pulsada para naves espaciales.

Actualmente se están desarrollando procesos para utilizar la ablación láser en la eliminación del recubrimiento de barrera térmica en componentes de turbinas de gas de alta presión. Gracias al bajo aporte de calor, la eliminación del recubrimiento de barrera térmica se puede completar con un daño mínimo a los recubrimientos metálicos subyacentes y al material base.

La ablación láser en fase líquida es un método eficiente para exfoliar materiales a granel y convertirlos en sus formas bidimensionales (2D), como el fósforo negro. Al cambiar el disolvente y la energía del láser, se puede controlar el espesor y el tamaño lateral de los materiales 2D. ^{[ 10 ]}

La ablación láser se utiliza como método de muestreo para análisis elemental e isotópico, y reemplaza los procedimientos tradicionales y laboriosos que generalmente se requieren para la digestión de muestras sólidas en soluciones ácidas. El muestreo por ablación láser se detecta mediante el monitoreo de los fotones emitidos en la superficie de la muestra, una tecnología conocida como LIBS ( Espectroscopia de Ruptura Inducida por Láser ) y LAMIS (Espectrometría Isotópica Molecular por Ablación Láser), o mediante el transporte de las partículas de masa ablacionadas a una fuente de excitación secundaria, como el plasma acoplado inductivamente . Tanto la espectroscopia de masas (MS) como la espectroscopia de emisión óptica (OES) pueden acoplarse con el ICP. Los beneficios del muestreo por ablación láser para el análisis químico incluyen la ausencia de preparación de la muestra, la ausencia de residuos, requisitos mínimos de muestra, la ausencia de requisitos de vacío, un rápido tiempo de respuesta del análisis de la muestra, resolución espacial (profundidad y lateral) y mapeo químico. El análisis químico por ablación 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 para todos los mercados para medir cada elemento e isótopo dentro de una muestra. Algunos instrumentos combinan la detección óptica y de masas para ampliar la cobertura del análisis y el rango dinámico de sensibilidad. Hay instrumentos comerciales disponibles para todos los mercados para medir cada elemento e isótopo dentro de una muestra. Algunos instrumentos combinan la detección óptica y de masas para ampliar la cobertura del análisis y el rango dinámico de sensibilidad. Empresas como Allied Scientific Pro ofrecen una gama de sistemas avanzados de ablación láser para aplicaciones industriales y de laboratorio, que permiten un análisis y procesamiento preciso de materiales. ^{[ 14 ]} .

La ablación láser se utiliza en ciencia para destruir nervios y otros tejidos con el fin de estudiar su función. Por ejemplo, a una especie de caracol de estanque , Helisoma trivolvis , se le pueden eliminar las neuronas sensoriales mediante ablación láser cuando aún es un embrión para evitar el uso de esos nervios. ^{[ 15 ]}

Otro ejemplo es la larva trocófora de Platynereis dumerilii , donde el ojo larval fue ablacionado y la larva dejó de ser fototáctica. ^{[ 16 ]} Sin embargo, la fototaxis en la larva nectoqueta de Platynereis dumerilii no está mediada por los ojos larvales, ya que la larva sigue siendo fototáctica, incluso si los ojos larvales han sido ablacionados. Pero si los ojos del adulto son ablacionados, entonces el nectoqueta deja de ser fototáctico y, por lo tanto, la fototaxis en la larva nectoqueta está mediada por los ojos del adulto. ^{[ 17 ]}

La ablación láser también puede utilizarse para destruir células individuales durante la embriogénesis de un organismo, como Platynereis dumerilii , para estudiar el efecto de la ausencia de células durante el desarrollo.

Hay varios tipos de láser que se utilizan en medicina para la ablación, incluidos argón , dióxido de carbono (CO₂ ₎ , colorante , erbio , excímero , Nd:YAG y otros. La ablación láser se utiliza en una variedad de especialidades médicas que incluyen oftalmología , cirugía general , neurocirugía , otorrinolaringología , odontología , cirugía oral y maxilofacial y veterinaria . ^{[ 18 ]} Los bisturíes láser se utilizan para la ablación tanto en cirugías de tejidos duros como blandos . Algunos de los procedimientos más comunes donde se utiliza la ablación láser incluyen LASIK , ^{[ 19 ]} rejuvenecimiento de la piel , preparación de cavidades, biopsias y eliminación de tumores y lesiones. ^{[ 20 ]} En cirugías de tejidos duros, los láseres de pulso corto, como Er:YAG o Nd:YAG, ablacionan el tejido bajo condiciones de estrés o confinamiento inercial. ^{[ 21 ]} En cirugías de tejidos blandos, el haz láser de CO ₂ ablaciona y cauteriza simultáneamente, lo que lo convierte en el láser de tejidos blandos más práctico y común. ^{[ 22 ]}

La ablación láser puede utilizarse en lesiones benignas y malignas de diversos órganos, lo que se denomina termoterapia intersticial inducida por láser. Actualmente, sus principales aplicaciones incluyen la reducción de nódulos tiroideos benignos ^{[ 23 ]} y la destrucción de lesiones hepáticas malignas primarias y secundarias. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

La ablación láser también se utiliza para tratar la insuficiencia venosa crónica . ^{[ 26 ]}

Véase también cirugía cerebral ablativa .

Un marco bien establecido para la ablación láser se denomina modelo de dos temperaturas de Kaganov y Anisimov. ^{[ 27 ]} 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. Por lo tanto, las dos variables son: la temperatura de los electrones en sí misma${\displaystyle T_{e}}$y la temperatura de la red${\displaystyle T_{l}}$Sus ecuaciones diferenciales, en función de la profundidad${\displaystyle x}$, son dados por

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

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

Aquí,${\displaystyle c_{e}}$y${\displaystyle c_{l}}$son el calor específico de los electrones y de la red respectivamente,${\displaystyle \kappa _{e}}$es la conductividad térmica de los electrones,${\displaystyle K_{e,l}}$es el acoplamiento térmico entre los sistemas de electrones y fonones (de la red), y${\displaystyle Q(t)}$es la energía del pulso láser absorbida por el material, generalmente caracterizada por la fluencia. Se pueden realizar 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 según si el objetivo es 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 pluma 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 solo durante un tiempo específico de la evolución de la temperatura denominado etapa hidrodinámica. Sin embargo, normalmente este valor se determina experimentalmente.

El modelo de dos temperaturas puede extenderse 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 juega un papel ^{[ 27 ]} porque la energía del láser es lo suficientemente alta como para generar iones en la pluma de ablación. Se ha determinado un valor para el campo eléctrico para el umbral de explosión de Coulomb, y viene dado por

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

dónde${\displaystyle \Lambda }$es la energía de sublimación por átomo,${\displaystyle n_{0}}$es la densidad de la red atómica y${\displaystyle \epsilon }$es la permitividad dieléctrica.

Algunas aplicaciones de la ablación láser pulsada se centran en el mecanizado y el acabado del material ablacionado, mientras que otras se interesan por el material expulsado del objetivo. En este caso, las características de la columna de ablación son más importantes para el modelado.

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, ^{[ 27 ]} pero la expresión matemática está sujeta a suposiciones y condiciones en la configuración experimental. Parámetros como el acabado superficial, el preacondicionamiento de un punto en el objetivo o el ángulo del haz 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.