Ла́зерная абля́ция, метод удаления вещества с поверхности твёрдого тела путём его облучения интенсивным непрерывным или импульсным лазерным лучом. Лазерная абляция используется для формирования отверстий в твёрдых материалах, таких как металлы или алмаз, анализа твёрдых веществ и для получения тонких плёнок или наночастиц. Когда твёрдая поверхность облучается непрерывным или импульсным лазерным лучом, материал нагревается за счёт поглощённой энергии лазера. Тепловое колебание частиц в твёрдом теле ускоряется, и как только поглощённая энергия превышает энергию испарения или сублимации, эти частицы переходят в газовую фазу. Для короткоимпульсного (фемтосекундного) лазера время взаимодействия излучения с материалом очень мало. Тепловая энергия не успевает диффундировать вглубь твёрдого тела. Облучаемая зона материала быстро достигает температуры испарения или сублимации, и частицы переходят в газовую фазу.

История развития метода лазерной абляции

В 1960 г. Т. Мейман создал первый рубиновый лазер. В 1965 г. было обнаружено, что процесс лазерной абляции можно использовать для сверления алмазов. В 1960–1970-х гг. лазерное оборудование состояло в основном из лазеров непрерывного действия или длинноимпульсных лазеров, таких как углекислотный лазер и лазер на основе алюмо-иттриевого граната, легированного ионами неодима (Nd:YAG). В середине 1960-х гг. было обнаружено, что в процессе облучения лазерным лучом удаляемые с поверхности твёрдого тела частицы образуют вблизи поверхности светящуюся плазму с температурой 10³–10⁴ К. После испарения аблируемые частицы осаждались на подложку в виде тонкой плёнки. Этот процесс лёг в основу применения лазерной абляции в качестве метода получения различных наноматериалов. В 1965 г. Г. М. Смит и А. Ф. Тёрнер впервые смогли осадить тонкие оптические плёнки с помощью рубинового лазера. В 1970-х гг. были созданы лазеры с достаточной мощностью и плотностью энергии для плавления металлов и на их основе разработана технология лазерной сварки. В 1980–1990-х гг. была разработана технология импульсного лазерного напыления, которая заключается в испарении твёрдой мишени импульсным лазером и осаждении из образовавшейся плазмы тонкой пленки. Существенного прогресса в этот период достигла технология лазерной наплавки металлического порошка или проволоки к поверхности подложки.

Применение метода лазерной абляции

Лазерное сверление и резка

Процесс лазерного сверления или резки включает в себя превышение температуры плавления облучаемого материала и поверхностное испарение. Внутреннее давление пара настолько велико, что аблируемый материал распыляется, оставляя отверстие на поверхности. Мощные импульсные лазеры находят широкое применение в промышленности для сверления и резки, т. к. обладают высокой точностью теплового воздействия. Факторами, влияющими на качество лазерной обработки материала, являются параметры лазера (мощность, площадь пятна, угол падения, частота импульсов) и физические свойства материала (коэффициент поглощения, отражательная способность, теплопроводность). Для получения высококачественного отверстия предпочтителен материал с низкой теплопроводностью, низким коэффициентом отражения и высоким коэффициентом поглощения. Это обеспечивает меньшее рассеивание лазерного излучения вокруг отверстия при сверлении.

Аналитическая химия

Применение лазерной абляции в аналитической химии заключается в испарении конечного объёма твёрдого вещества и анализа образующегося пара методами оптической и масс-спектрометрии. Для анализа вещества при его испарении требуется значительно меньшее количество (микрограммы), чем в случае его перевода в раствор (миллиграммы). В зависимости от измерительной системы для анализа с помощью лазерной абляции может быть достаточно образцов от пикограмма до фемтограмма. Кроме того, сфокусированный лазерный луч с микрометровым диаметром позволяет определять состав в различных участках неоднородного твёрдого материала. Аналитическими методами в сочетании с лазерной абляцией определяют различные загрязняющие вещества (Cd, Ce, Cr, Pb, S, B, Sr) в биологических объектах и фильтрах, использующихся для очистки воздуха. Лазерная абляция позволяет анализировать сложные составы минералов в геологии. Т. к. лазерное воздействие не оставляет видимых следов на материале, с помощью лазерной абляции анализируют драгоценности и вещи, найденные при археологических раскопках.

Синтез наночастиц

Метод лазерной абляции широко используется для синтеза наночастиц. Лазерный луч фокусируется на поверхности твёрдого тела в жидкой или газообразной среде, и происходит испарение материала из-за резкого роста температуры. Столкновения между испарёнными частицами (атомами и их кластерами) приводят к ионизации вещества и его переходу в состояние плазмы, состав которой зависит от структуры исходного материала, среды, давления и свойств самого лазера. Схема установки для получения углеродных нанотрубок методом лазерной абляции. Иллюстрация: Андрей Иванов.Схема установки для получения углеродных нанотрубок методом лазерной абляции. Иллюстрация: Андрей Иванов.Температура вещества в образующейся плазме превышает 5000 К. После прекращения лазерного воздействия плазма охлаждается и происходит нуклеация наночастиц. Метод лазерной абляции применяется для получения наночастиц кремния, германия, полупроводниковых квантовых точек с различным составом (GaAs, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe), наночастиц металлов, их оксидов и сплавов (Au, Ag, Ni, NiO, CoO, TiO₂, CoPt, FePt). Лазерная абляция применяется для синтеза различных аллотропных модификаций углерода, таких как углеродные нанотрубки и наноалмазы. Этот метод заключается в испарении углеродных мишеней и последующем осаждении образующихся продуктов на охлаждаемой подложке.