レーザーアブレーション
溶液中のレーザーによるナノ粒子の作製
小惑星のような試料の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、固体（または液体）表面にレーザービームを照射して材料を除去するプロセスである。レーザー光束が低い場合、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、蒸発または昇華する。レーザー光束が高い場合、材料は通常プラズマに変換される。

通常、レーザーアブレーションと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ければ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（例えばナノ秒パルス）は加工対象物を加熱し、熱変化や損傷を引き起こす可能性がありますが、超短レーザーパルス（例えばフェムト秒）は光と物質の相互作用が極めて短いため、加工中に材料への損傷が最小限に抑えられ、マイクロ材料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。

基礎

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、レーザーの波長、およびパルス長に依存します。レーザーパルスごとにターゲットからアブレーションされる総質量は、通常、アブレーション速度と呼ばれます。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、パルス幅（ミリ秒からフェムト秒）と光束を非常に広範囲に変化させることができ、精密に制御できます。そのため、レーザーアブレーションは研究用途と産業用途の両方で非常に価値があります。

用途

レーザーアブレーションの最も単純な応用は、固体表面から制御された方法で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一例です。パルスレーザーは、非常に硬い材料に極めて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、周囲の材料は熱をほとんど吸収しません。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もレーザードリリングを施すことができます。多くの研究者が、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ています。

また、レーザーエネルギーはコーティング、特に金属表面に選択的に吸収されるため、CO2またはNd :YAGパルスレーザーは、下地を損傷することなく、表面の洗浄、塗料やコーティングの除去、塗装前の下地処理に使用できます。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、多数の小さなパルスを使用し、それらを一定領域にわたって走査します。一部の業界では、レーザーアブレーションはレーザークリーニングと呼ばれることもあります。

産業用500Wクリーニングレーザー

利点の一つは、溶剤を使用しないため環境に優しく、作業員が化学物質にさらされる心配がないことです（有害物質が蒸発しないことを前提としています）。自動化も比較的容易です。ランニングコストはドライメディアブラスト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優しく、例えば複合材料内の炭素繊維を損傷しません。対象物への加熱も最小限です。

もう一つの応用分野は、レーザーアブレーションを用いて、除去した材料を他の方法では製造不可能または困難な新たな形状に加工することです。最近の例としては、カーボンナノチューブの製造が挙げられます。

レーザー洗浄は、鉄製品の錆除去、様々な表面からの油脂除去、絵画、彫刻、フレスコ画の修復にも用いられます。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、ゴム金型の洗浄に好まれる技術の一つです。

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た最初の研究者となり、その後、グラファイトと触媒金属を混合したアブレーションも報告しました[ 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、またはこれらの 2 元の組み合わせで構成できます。複合ブロックは、グラファイト粉末、カーボン セメント、金属をペースト状にして形成します。次に、このペーストを円筒形の型に入れて数時間焼きます。固化後、グラファイト ブロックをオーブン内に配置し、レーザーを照射して、アルゴンガスをレーザー ポイントの方向に沿って送り込みます。オーブンの温度は約 1200 °C です。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、ガス流に乗って冷たい銅のコレクター上に運ばれます。単層ナノチューブはグラファイトと金属触媒粒子のブロック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用いてコーティング材料を蒸発させ、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形成する方法があります。これはパルスレーザー蒸着法（PLD）と呼ばれる特殊な物理蒸着法であり、[ 8 ] 、他の方法では容易に蒸発させることができない材料からコーティングを形成することができます。このプロセスは、いくつかの種類の高温超伝導体やレーザー結晶の製造に用いられています。[ 9 ]

遠隔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物質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のコーティングを選択的に除去し、パターンを形成するためにも使用されます。この製品は、高次元投影のための舞台照明や、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。

推進

最後に、レーザーアブレーションは、アブレーションされた物質が膨張する際にその下の表面に高圧パルスを加えるため、表面に運動量を伝達するために使用できます。その効果は、ハンマーで表面を叩いたのと似ています。このプロセスは、産業界では金属表面の加工硬化に使用されており、レーザー兵器の損傷メカニズムの一つとなっています。また、宇宙船のパルスレーザー推進の基礎にもなっています。

製造

現在、高圧ガスタービン部品の遮熱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。入熱量が少ないため、下層の金属コーティングや母材へのダメージを最小限に抑えて遮熱コーティングの除去を完了できます

2D材料の製造

液相レーザーアブレーションは、黒リンなどのバルク材料を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化させることで、2D材料の厚さと横方向のサイズを制御できます。[ 10 ]

化学分析

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、酸性溶液中で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モニタリング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移送することによっても検出されます。質量分析（MS）と発光分光分析（OES）はどちらも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み、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）分解能、化学マッピングなどが含まれます。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、工業プロセス、食品安全、法医学[ 11 ]および生物学 [ 12 ] など、実質的にすべての業界で実行可能です。[ 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すべての市場で入手可能です。一部の機器は、分析範囲と感度のダイナミックレンジを拡大するために光学検出と質量検出の両方を組み合わせています。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すべての市場で入手可能です。一部の機器は、分析範囲と感度のダイナミックレンジを拡大するために光学検出と質量検出の両方を組み合わせています。Allied Scientific Proなどの企業は、産業用および研究室用の両方のアプリケーションに対応する高度なレーザーアブレーションシステムを提供しており、正確な材料分析と処理をサポートしています。[ 14 ]。

生物学

レーザーアブレーションは、神経やその他の組織を破壊してその機能を研究するために科学の分野で使用されています。例えば、池のカタツムリの一種であるHelisoma trivolvisは、感覚神経の使用を防ぐために、まだ胚の段階でレーザーアブレーションを行うことができます。 [ 15 ]

もう一つの例は、 Platynereis dumeriliiのトロコフォア幼生である。幼生の眼は除去されており、幼生はもはや光走性を持たない。[ 16 ]しかし、 Platynereis dumeriliiのネクトヘータ幼生における走光性は 幼生の眼によって媒介されるものではない。なぜなら、幼生の眼が除去されていても、幼生は依然として光走性を持つからである。しかし、成虫の眼が除去されると、ネクトヘータはもはや光走性を持たないため、ネクトヘータ幼生における走光性は成虫の眼によって媒介される。[ 17 ]

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。

医学

医学におけるアブレーションに使用されるレーザーの種類には、アルゴン、二酸化炭素（CO2 ）、色素、エルビウム、エキシマ、Nd:YAGなどがあります。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。[ 18 ]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処置には、LASIK、[ 19 ]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。[ 20 ]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[ 21 ]軟部組織手術において、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。[ 22 ]

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、主な応用分野は良性甲状腺結節の縮小[ 23 ]と、原発性および二次性悪性肝病変の破壊です[ 24 ] [ 25 ] 。

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。[ 26 ]

アブレーション脳手術も参照してください。

メカニズム

材料ダイナミクス

レーザーアブレーションの確立された枠組みとして、カガノフとアニシモフによる2温度モデルがあります。 [ 27 ]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、電子の運動を直接刺激し、固体の結晶構造の基礎となる格子に熱を伝達します。したがって、2つの変数は、電子温度自体と格子温度です。こ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 Te{\displaystyle T_{e}}Tl{\displaystyle T_{l}}x{\displaystyle x}

ce∂Te∂t＝∂∂x（κe∂Te∂x）−Ke、l（Te−Tl）＋Q（t）、{\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),}

cl∂Tl∂t＝Ke、l（Te−Tl）。{\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、は電子系と（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、通常はフルエンスで表されます。レーザーパラメータと、ターゲットにおける熱過程の時間スケールとの関係に応じて、いくつかの近似値を得ることができます。ターゲットが金属か誘電体かによって、熱過程の時間スケールは異なります。 ce{\displaystyle c_{e}}cl{\displaystyle c_{l}}κe{\displaystyle \kappa _{e}}Ke、l{\displaystyle K_{e,l}}Q（t）{\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一つは、アブレーション閾値です。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。この閾値はレーザーの波長に依存し、格子内の原子間にレナード・ジョーンズポテンシャルが存在すると仮定し、温度変化の特定の時間（流体力学的段階）のみでシミュレートすることができます。しかしながら、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。注目すべき拡張の一つはプラズマ生成である。超短パルス（大きなフルエンスを示唆する）の場合、レーザーエネルギーがアブレーションプルーム中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[ 27 ]。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。

E＝2Λn0ϵϵ0、{\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。 Λ{\displaystyle \Lambda}n0{\displaystyle n_{0}}ϵ{\displaystyle \epsilon}

プルームのダイナミクス

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着目する用途もあります。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です

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[ 27 ]が、数式表現は実験装置における仮定や条件に左右される。プルームのダイナミクスの発散角やその収率を観察する際には、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といったパラメータを考慮する必要がある。

関連項目

参考文献

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参考文献

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