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.

ablație

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.

Figura 3: Caracteristici ale ablației Femtosecunde și Nanosecunde.

Poza este luată din lucrările celei de-a 6-a reuniuni de colaborare RD51, 2010, Bari, Italia.

Pentru a răspunde la întrebarea inițială cu privire la ce laser să alegeți pentru ce material sau aplicație, trei lasere pulsate de diferite tipuri care sunt: ​​A Ti: Laser safir (impulsuri de 110 fsec, rată de repriere de 1 kHz, putere medie de 0,5 wați), un Nd: Sunt comparate laserul YAG (impulsuri de 10 nsec, 50kHz repetare, 100 Watt putere medie) și un laser CO 2 (250 nsec impulsuri, 150 kHz frecvență rep, 200 Watt putere medie) (Lasere excimer au fost lăsate deoparte, deoarece acestea sunt cele mai scump). Acestea sunt câteva specificații tipice pentru aceste lasere. Laserul Ti: Sapphire este probabil cel mai potrivit pentru aplicații de micro-prelucrare și nu este ideal pentru îndepărtarea vopselei de pe un avion. Motivul este că, deși are o putere de vârf ridicată, puterea medie este mică și nu poate îndepărta rapid vopseaua tare. Este, de asemenea, scump, deoarece necesită un laser argon pentru a-l pompa. Alegerea între un laser nir (Nd: YAG sau laser cu fibră) și un laser IR mediu (laser CO2) se reduce la dependența lungimii de undă a coeficientului de absorbție al diferitelor materiale. Figura 4 arată dependența coeficientului de absorbție de lungimea de undă.

Figura 4: Dependența de lungimea de undă de absorbția metalelor și nemetalelor la diferite lungimi de undă. Referință: Monitorizarea cu laser a excimerului a aliajelor de titan, lucrare de masterat de Yiming Ding, 2011

Materialele plastice, ceramica și sticla (materialele organice și acoperirile polimerice, cum ar fi vopseaua ar trebui incluse, de asemenea) au un coeficient ridicat de absorbție pentru lungimea de undă IR medie, care include lungimea de undă de 10,6 μm a laserului CO 2. Cu toate acestea, coeficientul lor de absorbție este mic pentru metale. Prin urmare, pentru a îndepărta un strat de vopsea dintr-o aeronavă care se află deasupra unui corp metalic al unei aeronave, laserul cu CO2 este o alegere bună, deoarece elimină vopseaua și este reflectată în cea mai mare parte de metal, astfel încât să nu o deterioreze. Cu toate acestea, indisponibilitatea fibrelor optice ieftine în regiunea IR medie, capacitatea de a regla energia pragului pentru laserele cu impulsuri de nanosecunde din regiunea NIR și costul mai redus al laserului fac ca laserele Nd: YAG și fibrele să fie la fel de dorite pentru îndepărtarea vopselei în diferite aplicații precum îndepărtarea vopselei pentru aeronave.

Pentru a compara curățarea cu laser cu alte metode de curățare, se pot examina sablarea, sablarea cu gheață uscată, jetul de apă, metodele abrazive și chimice de curățare cu laser. Toate metodele menționate mai sus pot deteriora suprafața, pot crea multă poluare în mediu, sunt zgomotoase și nu pot fi automatizate. Curățarea cu laser, pe de altă parte, este însoțită în mod normal de un tub de aspirație care îndepărtează materialul ablat. Deci, curățarea cu laser este mai bună pentru mediu, este mai rapidă, nu deteriorează suprafața dacă se aleg parametrii corecți, este mai versatilă datorită gamei de selectivitate pentru parametrii laser și poate fi automatizată.

Allied Scientific Pro a introdus sistemul de curățare Laser Art-100, care folosește fasciculul în infraroșu apropiat și oferă o livrare de fibre optice de până la 5 metri pentru acces la distanță. Este un sistem de curățare cu laser foarte eficient, pulsat până la 55 kHz, cu o putere medie de până la 100 de wați și o durată a impulsului de 10 nsec. Figura 5 de mai jos prezintă acest sistem.

Figura 5: Sistem de curățare cu laser de Allied Scientific Pro

Un sistem galvo cuplat la optica atașată la acesta ar permite diferite tipuri de forme ale fasciculului care ar putea fi ajustate la forma optimă necesară pentru fiecare aplicație. Fasciculul IR apropiat are în mod normal câțiva centimetri lungime și este liniar.

YAG laser Vs laser CO2, bază de cunoștințe laser Epilog.

TEA CO2 vs Nd: YAG, decaparea vopselei sau curățarea matriței de către sistemele PAR.

Caracteristicile de ablație ale metalelor Au, Ag și Cu folosind o femtosecundă Ti: Sapphire laser, Applied Physics A, volumul 60, decembrie 1999.

Efectele diferitelor regimuri de impulsuri laser (nanosecundă, picosecundă și femtosecundă) asupra materialelor de ablație pentru producția de nanoparticule în soluție lichidă, Abubakr Hassan Hamad, Laser cu energie mare și cu impuls scurt, DOI: 10.5772/63892.

Monitorizarea cu excimer a aliajelor de titan cu laser, lucrare de masterat de Yiming Ding, 2011.