(а) Установка насосно-зондовой микроскопии для абляции в воде. Для анализа процесса абляции на воздухе кювета не используется, в остальном установка та же.
(b) Постобработка трех записанных изображений. Изображения исходной поверхности (R0), во время процесса абляции (R(Δt)) и после завершения процесса абляции (Rinf) использовались для расчета переходного (ΔR/R0) и конечного состояния (ΔRinf/R0) относительных изменение отражательной способности. Красные пунктирные кружки отмечают переходную область лазерной модификации ΔA и конечную область лазерной модификации ΔAinf.
Кредит: Compuscript Ltd.

Лазерная абляция в жидкости — это масштабируемый метод производства наночастиц в таких областях, как катализ и биомедицина. Различные каналы рассеяния энергии, такие как поглощение жидкостью и рассеяние на абляционном шлейфе и кавитационном пузыре, приводят к уменьшению энергии лазера, доступной для производства наночастиц. Ультракороткие импульсы вызывают нежелательные эффекты. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Opto-Electronic Advances , изучались режимы длительности импульса от пико до наносекунды, и было обнаружено, что длительность импульса около 1–2 нс обеспечивает наиболее эффективную лазерную абляцию в жидкости.

Лазерная абляция в жидкости (ЛАЛ) — это универсальный метод синтеза наночастиц (НЧ), позволяющий получать безлигандные коллоиды. По сравнению с химически синтезированными коллоидами частицы, генерируемые ЛАЛ, демонстрируют более высокое отношение сигнал/шум. Они подходят в качестве эталонных материалов для нанотоксикологических анализов, позволяют украшать микрочастицы для 3D-печати и обладают высоким потенциалом в гетерогенном катализе. Кроме того, с помощью LAL можно производить ряды молярных долей наночастиц сплава из прессованных микропорошковых мишеней, даже если существует разрыв в смешиваемости элементов.

Хотя лазерно -генерированные частицы имеют преимущества перед химически синтезированными НЧ, только несколько коммерческих дистрибьюторов предлагают лазерно-генерированные НЧ. Одной из причин может быть то, что LAL становится экономически более целесообразной, чем химический синтез , только при производительности наночастиц, превышающей 550 мг/ч (для золота). Высокая производительность LAL может быть достигнута только с мощными пикосекундными лазерными системами (> 200 Вт). Мощные лазерные системы должны работать с высокой частотой повторения в несколько МГц. Для эффективного использования доступной мощности лазера требуются быстрые полигональные сканеры. Сложность процесса и высокие инвестиционные затраты объясняют, почему только несколько коммерческих дистрибьюторов предлагают NP, созданные методом LAL.

Помимо увеличения производительности за счет увеличения мощности лазера, тщательная настройка длительности лазерного импульса представляет собой еще один способ оптимизации процесса LAL. Наносекундная ЛАЛ (нс-ЛАЛ) обеспечивает такую ​​же скорость абляции по мощности, что и пикосекундная ЛАЛ (пс-ЛАЛ). Однако в основном используются лазеры с длительностью ~ 10 нс, в то время как лишь в нескольких публикациях исследовался нижний предел длительности импульса (~ 0,6 нс), который обеспечивают лазеры с модуляцией добротности с ограниченной длиной резонатора.

В отличие от абляции на воздухе, при ЛАЛ возникают дополнительные механизмы потери энергии. Эти механизмы можно разделить на две категории. Одна категория представляет собой потери из-за взаимодействия лазерного импульса со слоем воды. Другая категория показывает потери от взаимодействий с динамикой индуцированной абляции. Степень влияния этих механизмов потерь на производительность ЛАЛ сильно зависит от длительности лазерного импульса.

Оптический пробой внутри жидкости происходит, когда лазерный импульс генерирует плазму с определенной критической плотностью электронов посредством многофотонной ионизации с последующей каскадной ионизацией. Возникающая плазма поглощает большую часть энергии импульса (~50%). Только задний фронт импульса испытывает плазменное поглощение. Таким образом, большая часть энергии импульса (~80%) проходит через объем оптического пробоя.

НЧ, присутствующие в жидкости, могут значительно снизить пороговую плотность потока для оптического пробоя ns-импульсов. ЛАЛ, проводимая ультракороткими лазерными импульсами , часто сопровождается нелинейными эффектами. При объединении потерь, вызванных нелинейными эффектами и оптическим пробоем, до 70% энергии импульса может исчезнуть до достижения поверхности мишени. Кроме того, предпринимаются попытки объяснить экранирующий эффект, зависящий от концентрации НЧ.

Было обнаружено, что эффективность абляции сильно меняется в зависимости от условий эксперимента. Эффективность максимальна для лазерных систем, работающих при длительности импульса в одну наносекунду по сравнению с несколькими пс или >5 нс. Не было дано ни механистического объяснения, ни условий одиночного импульса. Следует подчеркнуть, что оптимальная длительность импульса ~1 нс легко достигается модуляцией добротности короткорезонаторных лазерных резонаторов. Оптимальная обработка LAL может быть возможна при использовании недорогих лазеров с модуляцией добротности, что позволяет избежать высоких инвестиционных затрат на фемто- и пикосекундные лазеры с синхронизацией мод.

Лазерный абляционный синтез коллоидов в жидкостях является перспективным методом изготовления наноматериалов. Короткоимпульсная ЛАЛ с длительностью импульса около десяти нс так же эффективна, как ультракороткая импульсная ЛАЛ. В обоих случаях внутриимпульсное затухание, вызванное жидкостью или шлейфом, паром и кавитационным пузырьком, ограничивает эффективное выделение энергии. Исследователи определили характерное время экранирования, переводя его в оптимальную продолжительность лазерного импульса. Уменьшение экранирующих эффектов при воздействии лазерного импульса увеличивает эффективность абляции, наблюдаемую при ЛАЛ Au длительностью 1 нс. Наносекундные лазеры с модуляцией добротности и ограниченной длиной резонатора могут повысить эффективность LAL.