Исследование процесса взаимодействия субмиллисекундных импульсов излучения рубинового лазера со сверхчистым титаном Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУБМИЛЛИСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА СО СВЕРХЧИСТЫМ ТИТАНОМ А.В. Беликов, С.Е. Парахуда, А.В. Скрипник

Лазерное излучение достаточно широко используется в различных технологических процессах, в частности, для резки и сварки металлов [1, 2]. В последнее время все чаще лазеры стали применяться в медицинской практике [3]. Одной из динамично развивающихся отраслей медицины можно считать стоматологию, а именно имплантологию [4]. Традиционно для изготовления имплантатов используют сверхчистый титан. Также этот материал используют при моделировании будущего имплантата. В этом случае необходимо каким-то образом в ротовой полости фиксировать между собой титановые стержни. В настоящее время для этой цели используют специальные биосовместимые клеи. Этот этап достаточно трудоемок и требует значительного времени. Склеенные детали извлекаются из ротовой полости и свариваются вне ее. Для сварки используют либо традиционные устройства, либо излучение Nd:YAG лазера с длиной волны 1.064 мкм [5]. Сварка происходит в атмосфере инертного газа. Эта технология неудобна, так как требует извлечения из ротовой полости склеенного макета имплантата для последующей сварки. Таким образом, задача проведения подобных операций непосредственно в полости рта пациента достаточно актуальна. Подобная постановка вопроса накладывает ряд ограничений, главным из которых является недопустимость нанесения травмы пациенту или врачу. Травмировать ткани ротовой полости могут расплавленные частицы металла, покидающие область обработки - "искры". Кроме того, возможна коагуляция мягких тканей находящимся в контакте с ней и нагретым в поле лазерного излучения имплантатом.

Выбор длины волны для сварки может быть обусловлен тем фактом, что энергия отраженного от поверхности титана излучения должна быть минимальна, для того чтобы не травмировать органы зрения врача. Поскольку для металлов характерен эффект снижения коэффициента отражения с уменьшением длины волны падающего излучения, то для минимизации вышеуказанного риска предпочтительно использовать более коротковолновое, по сравнению с 1.064 мкм, излучение. Минимизировать число "искр" можно путем модификации свойств окружающей зону обработки сред или путем правильного подбора параметров (в первую очередь энергетических и временных) лазерного излучения. Первое можно осуществить, например, путем обдува облучаемой зоны инертным газом либо путем водяного орошения. С точки зрения энергии, важно работать как можно ближе к порогу лазерного разрушения материала и с длительностью импульса, не приводящей к интенсивным взрывным процессам.

В рамках настоящей работы экспериментально исследована возможность сварки сверхчистого титана в поле излучения импульсного рубинового лазера на длине волны 0.694 мкм. В работе определялась величина порога лазерного разрушения титана при различных условиях обработки - при отсутствии и при наличии водяного орошения области взаимодействия. Кроме того, проведено качественное сравнение сварного шва, полученного при однократном облучении титана с одновременным водяным орошением и без него.

Материал и метод

В качестве материала использован сверхчистый титан производства фирмы 3М (США), рекомендованный для использования в имплантологии.

Схема эксперимента представлена на рис.1.

4

7

-е

-е

э-

8

6

О

□□□ □□□ □□□ □□□

ооооо-

5

14

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - активный элемент, 2 - "глухое", плосковогнутое зеркало с R=1500 мм; 3 - выходное, плоскопараллельное зеркало, 4 - лампа накачки, 5 - фотодиод, 6 - осциллограф, 7 - ослабитель Френеля, 8 - светоделительная пластина, 9 - ИМО-2Н, 10 - линза, 11 - оптическое волокно, 12 - образец (титан), 13 - система водяного орошения, 14 - видеокамера, 15 - PC/AT

Мы использовали Al2Q3:Cr3+ активный элемент размером 0 9x155 мм. Резонатор с базой в 500 мм был образован двумя зеркалами с коэффициентами отражения (на длине волны 0.694 мкм) 100 и 70 %. Накачка активной среды осуществлялась при помощи двух газоразрядных Xe ламп. Для регистрации момента начала генерации и временной формы импульсов излучения использовался фотодиод ФД-9Э111-А и цифровой запоминающий осциллограф. Для изменения энергии лазерного излучения мы использовали ослабитель Френеля. Энергия лазерного излучения контролировалась измерителем средней мощности и энергии ИМО-2Н. Система транспортировки лазерного излучения к объекту воздействия (титановому стержню) состояла из плосковыпуклой сапфировой линзы со световым диаметром 30 мм и /=70 мм и оптического волокна КК-600/660. Энергия в одиночном лазерном импульсе на длине волны генерации 0.694 мкм достигала на выходе оптического волокна 5 Дж, длительность импульса свободной генерации была 470±50 мкс на полувысоте и 600±60 мкс по основанию (см. рис. 2).

1.0-

0.9-

< 0.8-

i 0./-

о 0.6-

<с 0.5-

-L

> н о 0.4-

N

^ U.3-

С

0?-

<с

0.1-

0.0-

0.4 0.5 0.6 ВРЕМЯ, мс

Рис. 2. Типичный временной профиль Al2O3:Cr3+ лазерного импульса

1

Облучение титана проходило в неконтактном режиме. Расстояние между выходным торцом оптического волокна и образцом (титановым стержнем) было 2.9±0.1 мм. При этом диаметр лазерного "пятна" на объекте составлял величину порядка 1 мм как без применения, так и с применением непрерывного водяного орошения дистиллированной водой области взаимодействия. Расход хладагента составлял 6.25±0.90 мл/мин.

Порог лазерного разрушения ^Епор. фиксировался оптическим методом и составлял величину плотности энергии, при которой наблюдается оптически различимая модификация поверхности объекта исследования (титана). Для регистрации изображений мы использовали видеокамеру, а для хранения изображений -персональный IBM-компьютер.

Результаты эксперимента

Типичный внешний вид лазерных кратеров, полученных при лазерной обработке титана с пороговой плотностью энергии, представлен на рис. 3. Видно, что незначительное превышение над порогом разрушения способно существенно модифицировать материал. Порог лазерного разрушения титана одиночным импульсом рубинового лазера при обработке без водяного орошения составил величину 25±4 Дж/см2. Порог лазерного разрушения титана одиночным импульсом рубинового лазера при обработке с одновременным водяным орошением составил величину порядка 36±5 Дж/см2. По всей видимости, увеличение порога лазерного разрушения титана при одновременном водяном охлаждении по отношению к обработке без водяного охлаждения связано с более интенсивным теплообменом между титаном и водой, что приводит к необходимости компенсировать возникающий энергетический дефект за счет энергии лазерного импульса.

Рис. 3. Типичный внешний вид кратеров, полученных при лазерной обработке

титана субмиллисекундным импульсом рубинового лазера (без водяного орошения): I - при облучении с WE=(19.0±3.0)Дж/см2<WEпoр.; II - при облучении с WEпoр.=(25.0±4.0)Дж/см2; III - при облучении с WE=(47.0±8.0)Дж/см2>WEпoр.

На рис. 4 представлена фотография сплошного сварного шва, полученного путем обработки одиночными лазерными импульсами области контакта между двумя цилиндрическими штифтами при We=(292±45) Дж/см2 без непрерывного вынужденного водяного орошения.

*

А

300мкм

I-1-1

Рис. 4. Фотография поперечного сечения сварного шва, полученного при обработке области контакта между двумя цилиндрическими титановыми штифтами лазерным излучением с длиной волны 0.694 мкм и плотностью энергии WE=(292±45) Дж/см2 без водяного орошения

На рис. 5 представлена фотография поперечного сечения сварного шва, полученного путем обработки одиночными лазерными импульсами области контакта между двумя цилиндрическими штифтами при WE=(292±45) Дж/см2 с применением одновременного непрерывного водяного орошения.

л; \ -

300мкм

I-1-1

Рис. 5. Фотография поперечного сечение сварного шва, полученного при обработке области контакта между двумя цилиндрическими титановыми штифтами лазерным излучением с длиной волны 0.694мкм и плотностью энергии WE=(292±45)Дж/см2 с одновременным водяным орошением

Заключение

Для сварки титана можно использовать одиночные импульсы рубинового лазера субмиллисекундной длительности. Рубиновые лазеры достаточно технологичны, просты и надежны. Длина волны излучения рубинового лазера позволяет снизить энергию отраженного от поверхности титана излучения по сравнению с длиной волны излучения Nd:YAG лазера и тем самым повысить безопасность процедуры. Последнее обстоятельство очень существенно при сварке имплантатов в ротовой полости. Рубиновый лазер достаточно легко позволяет реализовать режимы стабильной генерации излучения с частотой следования лазерных импульсов порядка единиц герц и длительностью импульса порядка нескольких миллисекунд. Одновременно с лазерным воздействием можно интенсивно охлаждать зону обработки водой, не обращая внимания на поглощение излучения водой. Вода необходима для охлаждения имплантата.

Порог лазерного разрушения титана одиночным импульсом рубинового лазера при обработке без водяного орошения составил величину 25±4 Дж/см2. Порог лазерного разрушения титана одиночным импульсом рубинового лазера при обработке с одновременным водяным орошением составил величину порядка 36±5 Дж/см .

В результате проведенных исследований было установлено, что режим обработки, позволяющий создать достаточно надежное сварное соединение, может быть реализован при плотности энергии лазерного импульса субмиллисекундной длительности, в 10-15 раз превышающей порог лазерного разрушения титана, с одновременным водяным орошением.

Литература

1. Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф. Стельмаха. М.: Энергия, 1975. 216с.

2. Рэди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1974. 638с.

3. Прохончуков А.А., Жижина Н.А. Лазеры в стоматологии. М.: Медицина, 1986. 176 с.

4. Buser D., Dahlin Ch., Schenk R.K. Guided Bone Regeneration in Implant Dentistry, 1994. Quintessence Publishing Co, Inc. 262 p.