Wie funktioniert die Laserablation?

Laserlicht ist sehr Energiereich. Trifft ein Laserstrahl auf ein Hindernis, so wird die Energie der Photonen des Strahls auf die Elektronen des Festkörpers übertragen. Bei der Laserablation wird gepulste Laserstrahlung eingesetzt, um die Oberfläche eines Materials zu erhitzen und die Ausbildung eines Plasmas zu verursachen, das anschließend verdampft. Wie genau die Ablation von statten geht, hängt von dem eingesetzten Laser ab.

Ablation mit Nanosekunden-Laser

Erstmals in großem Umfang kommerziell nutzbar wurde die Laserablation mit den Nanosekundenlasern. Diesen haben ihren Namen von der Länge eines Pulses, die wenige Nanosekunden beträgt. Diese Zeit reicht jedoch aus, dass sich das Material erhitzt und Plasma entsteht. Dieses Plasma besteht aus Ionen und Elektronen des bearbeiteten Materials. Aufgrund der hohen Leistungsdichte des Lasers werden die Ionen im Plasma auf hohe Energie beschleunigt, weshalb das abgetragene Material schlagartig zu verdampfen scheint.

Trotz des hohen Energieeintrags wird das Material oder Gewebe als Ganzes bei dieser Methode nicht auf hohe Temperaturen erhitzt. Dies liegt an der langsameren Wärmeleitung des Materials. Durch die kurze Einwirkzeit der Laserpulse kann keine Wärme ins Innere geleitet werden, weshalb sich die ganze Energie in einer dünnen Schicht an der Oberfläche konzentriert und die Aufheizung dieser Zone bewirkt. Wäre dies nicht der Fall, würde nicht nur das Werkstück erhitzt werden, sondern es wäre auch nicht ohne weiteres möglich, die für die Entstehung von Plasma nötige Temperatur zu erreichen.

Ablation mit Piko- und Femtosekundenlaser

Laser, die mit Pulsen im Piko- und Femtosekundenbereich arbeiten, sind State of the Art in der Laserablation. Durch die viel kürzere Einwirkzeit wird die Oberfläche durch die abgegebene Energie nicht mehr erhitzt, sondern die thermische Energie regt die Atomkerne und die sie umgebenden Elektronen zu Schwingungen an. Dieser Effekt führt zum Aufbrechen der chemischen Bindungen und, durch das Herausbrechen der Elektronen, zu sogenannten Coulomb-Explosionen.

Coulomb-Explosionen entstehen, weil durch die herausgebrochenen Elektronen die zurückbleibenden Atome nicht mehr neutral, sondern positiv geladen sind. Die Folge davon ist eine Abstoßungsreaktion, durch welche das Material explodiert. Die Materialreste werden zu einer Wolke sehr energiereicher Ionen. Diese Ionen bewegen sich noch schneller als die, die bei der Ablation mit einem Nanosekundenlaser entstehen. Dieses Methode funktioniert aber nur bei Nicht-Metallen.

Praktische Anwendungen der Laserablation

Die besonderen Eigenschaften gepulster Laserstrahlung machen die Laserablation zu einem sehr präzisen und besonders schonenden Verfahren, das darum vor allem in Bereich zum Einsatz kommt, in denen höchste Genauigkeit und bestmögliche Materialschonung wichtig sind.

Materialbearbeitung mit dem Laser

Die Laserablation wird häufig in der Materialbearbeitung eingesetzt, da mit ihrer Hilfe ein Werkstück sehr präzise und gleichzeitig schonend bearbeitet werden kann. Die sehr kurzen Pulse des Lasers erhitzt nur die jeweils oberste Schicht des Materials, der Rest des Werkstücks wird nicht heiß, dadurch ist die Laserablation ein sehr schonendes Verfahren. Dennoch können auch mit dem Laser tiefe Einschnitte erzeugt und sogar Löcher gebohrt oder Teile voneinander getrennt werden. Dazu ist es nur nötig, dass das zu bearbeitende Material Schicht für Schicht bis zur gewünschten Tiefe abgetragen wird.

Laserablation in der Medizin

In der Medizin kommen Laser zum Abtragen von Gewebe zum Einsatz. Auch hier haben gepulste Laser den Vorteil, dass sie besonders schonend arbeiten und das umliegende Gewebe kaum erhitzen. Ein weiterer entscheidender Vorteil des Lasers ist, dass der Strahl durch einen Lichtleiter ins Innere des Körpers geleitet werden kann. Der Operateur muss also nicht mehr das gesamte Operationsfeld freilegen, sondern nur noch einen kleinen Zugang für den Lichtleiter schaffen, damit der Eingriff durchgeführt werden kann.

Schonende Restaurierung dank Laser

Den oben erläuterten Umstand, dass die Ablation bei verschiedenen Materialien bei einer individuellen Leistungsdichte stattfindet, macht man sich bei restaurierungsarbeiten zu Nutze, indem man eine Leistungsdichte wählt, die zwar die Schmutzschichten verdampfen lässt, die Schichten des darunter liegenden Materials, häufig handelt es sich dabei um Farbe, jedoch nicht beschädigt.

Zusammenfassung: Laserablation

Unter Laserablation versteht man die Abtragung von Material durch die Energie der Photonen aus dem Laserlicht, die auf die Elektronen des zu bearbeitenden Materials übertragen werden soll. Beim Einsatz von Nanosekundenlasern wird die oberste Schicht des Materials so stark erhitzt, dass es zur Bildung von Plasma kommt, welches anschließend verdampft. Piko- und Femtosekundenlaser erzeugen hingegen Coulomb-Explosionen in nicht-metallischen Materialien.

Da die Laserablation ein besonders schonendes und präzises Verfahren ist, eignet sie sich besonders für diffizile Aufgaben, bei denen es auf die Schonung des umgebenden Materials ankommt.