الاستئصال بالليزر

أخيرًا، يمكن استخدام الاستئصال بالليزر لنقل الزخم إلى سطح ما، حيث تُطبّق المادة المُستأصلة نبضة ضغط عالية على السطح أسفلها أثناء تمددها. ويشبه هذا التأثير ضرب السطح بمطرقة. تُستخدم هذه العملية في الصناعة لتقوية أسطح المعادن، وهي إحدى آليات التلف في أسلحة الليزر . كما أنها أساس الدفع بالليزر النبضي للمركبات الفضائية.

يجري حاليًا تطوير عمليات لاستخدام الاستئصال بالليزر في إزالة طبقة العزل الحراري من مكونات التوربينات الغازية عالية الضغط. وبفضل انخفاض الحرارة المُدخلة، يمكن إتمام عملية إزالة طبقة العزل الحراري بأقل قدر من الضرر للطلاءات المعدنية الأساسية والمادة الأصلية.

يُعدّ الاستئصال بالليزر في الطور السائل طريقة فعّالة لفصل المواد الصلبة إلى أشكالها ثنائية الأبعاد، مثل الفوسفور الأسود. ومن خلال تغيير المذيب وطاقة الليزر، يمكن التحكم في سُمك وحجم المواد ثنائية الأبعاد. ^{[ 10 ]}

يُستخدم الاستئصال بالليزر كطريقة لأخذ العينات في التحليل العنصري والنظائري، ويحل محل الإجراءات التقليدية الشاقة اللازمة عادةً لهضم العينات الصلبة في المحاليل الحمضية. يتم الكشف عن أخذ العينات بالاستئصال بالليزر من خلال مراقبة الفوتونات المنبعثة من سطح العينة - وهي تقنية تُعرف باسم مطيافية الانهيار المستحث بالليزر (LIBS ) ومطيافية النظائر الجزيئية بالاستئصال بالليزر (LAMIS)، أو عن طريق نقل جزيئات الكتلة المستأصلة إلى مصدر إثارة ثانوي، مثل البلازما المقترنة حثيًا . يمكن ربط كل من مطيافية الكتلة (MS) ومطيافية الانبعاث الضوئي (OES) مع البلازما المقترنة حثيًا. تشمل مزايا أخذ العينات بالاستئصال بالليزر في التحليل الكيميائي: عدم الحاجة إلى تحضير العينة، وانعدام النفايات، والحد الأدنى من متطلبات العينة، وعدم الحاجة إلى فراغ، وسرعة إنجاز تحليل العينة، والدقة المكانية (العمق والعرض)، ورسم الخرائط الكيميائية. يُعدّ التحليل الكيميائي باستخدام الاستئصال الليزري تقنيةً فعّالةً في جميع الصناعات تقريبًا، مثل التعدين، والكيمياء الجيولوجية، والطاقة، والبيئة، والمعالجة الصناعية، وسلامة الأغذية، والطب الشرعي ^{[ 11 ] ، والبيولوجيا [ 12 ] [ 13 ]} . تتوفر أجهزة تجارية لجميع الأسواق لقياس كل عنصر ونظير داخل العينة. تجمع بعض الأجهزة بين الكشف البصري والكشف الكتلي لتوسيع نطاق التحليل، وزيادة الحساسية الديناميكية. تُقدّم شركات مثل Allied Scientific Pro مجموعةً من أنظمة الاستئصال الليزري المتقدمة للتطبيقات الصناعية والمخبرية، مما يدعم التحليل الدقيق للمواد ومعالجتها ^{[ 14 ]} .

يُستخدم الاستئصال بالليزر في العلوم لتدمير الأعصاب والأنسجة الأخرى لدراسة وظائفها. على سبيل المثال، يمكن استئصال الخلايا العصبية الحسية لنوع من حلزون البرك ، يُدعى هيليسوما تريفولفيس ، باستخدام الليزر عندما يكون الحلزون لا يزال جنينًا لمنع استخدام تلك الأعصاب. ^{[ 15 ]}

مثال آخر هو يرقة التروكوفور من نوع Platynereis dumerilii ، حيث أُزيلت عين اليرقة، ولم تعد اليرقة تستجيب للضوء. ^{[ 16 ]} مع ذلك، فإن الاستجابة للضوء في يرقة النكتوشيت من نوع Platynereis dumerilii لا تتم عبر عيون اليرقة، لأن اليرقة لا تزال تستجيب للضوء حتى بعد إزالة عيونها. أما إذا أُزيلت عيون الحشرة البالغة، فإن النكتوشيت تفقد استجابتها للضوء، وبالتالي تصبح الاستجابة للضوء في يرقة النكتوشيت تتم عبر عيون الحشرة البالغة. ^{[ 17 ]}

يمكن أيضًا استخدام الاستئصال بالليزر لتدمير الخلايا الفردية أثناء تكوين الجنين للكائن الحي، مثل Platynereis dumerilii ، لدراسة تأثير الخلايا المفقودة أثناء النمو.

تُستخدم أنواع عديدة من الليزر في الطب لأغراض الاستئصال، منها ليزر الأرجون ، وثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ ، وليزر الصبغة ، وليزر الإربيوم ، وليزر الإكسيمر ، وليزر Nd:YAG ، وغيرها. يُستخدم الاستئصال بالليزر في تخصصات طبية متنوعة، منها طب العيون ، والجراحة العامة ، وجراحة الأعصاب ، وجراحة الأنف والأذن والحنجرة ، وطب الأسنان ، وجراحة الفم والوجه والفكين ، والطب البيطري . ^{[ 18 ]} تُستخدم مشارط الليزر للاستئصال في جراحات الأنسجة الصلبة والرخوة على حد سواء . من أكثر الإجراءات شيوعًا التي يُستخدم فيها الاستئصال بالليزر: الليزك ، ^{[ 19 ]} وتجديد سطح الجلد ، وتحضير تجاويف الأسنان، وأخذ الخزعات ، وإزالة الأورام والآفات. ^{[ 20 ]} في جراحات الأنسجة الصلبة، تعمل أنواع الليزر النبضية القصيرة، مثل ليزر Er:YAG أو Nd:YAG، على استئصال الأنسجة تحت ظروف الإجهاد أو الحصر بالقصور الذاتي. ^{[ 21 ]} في جراحات الأنسجة الرخوة، يقوم شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون _{بالاستئصال} والكي في آن واحد، مما يجعله الليزر الأكثر عملية وشيوعًا في مجال جراحة الأنسجة الرخوة. ^{[ 22 ]}

يمكن استخدام الاستئصال بالليزر لعلاج الآفات الحميدة والخبيثة في مختلف الأعضاء، وهو ما يُعرف بالعلاج الحراري الخلالي المُحفَّز بالليزر. تشمل التطبيقات الرئيسية حاليًا تقليل حجم عقيدات الغدة الدرقية الحميدة ^{[ 23 ]} وتدمير آفات الكبد الخبيثة الأولية والثانوية. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يُستخدم الاستئصال بالليزر أيضًا لعلاج القصور الوريدي المزمن . ^{[ 26 ]}

انظر أيضًا جراحة الدماغ الاستئصالية .

يُعرف إطار عمل راسخ للاستئصال بالليزر بنموذج درجتي الحرارة، الذي وضعه كاغانوف وأنيسيموف. ^{[ 27 ]} في هذا النموذج، تمتص المادة الصلبة طاقة نبضة الليزر، مما يحفز حركة الإلكترونات مباشرةً وينقل الحرارة إلى الشبكة البلورية التي تُشكل البنية البلورية للمادة الصلبة. وبالتالي، فإن المتغيرين هما: درجة حرارة الإلكترونات نفسها.${\displaystyle T_{e}}$ودرجة حرارة الشبكة${\displaystyle T_{l}}$معادلاتهم التفاضلية، كدالة للعمق${\displaystyle x}$يتم تقديمها بواسطة

$${\displaystyle c_{e}{\frac {\partial T_{e}}{\partial t}}={\frac {\partial }{\partial x}}\left(\kappa _{e}{\frac {\partial T_{e}}{\partial x}}\right)-K_{e,l}(T_{e}-T_{l})+Q(t),}$$

$${\displaystyle c_{l}{\frac {\partial T_{l}}{\partial t}}=K_{e,l}(T_{e}-T_{l}).}$$

هنا،${\displaystyle c_{e}}$و${\displaystyle c_{l}}$تمثل و الحرارة النوعية للإلكترونات والشبكة البلورية على التوالي،${\displaystyle \kappa _{e}}$هي الموصلية الحرارية للإلكترونات،${\displaystyle K_{e,l}}$هو الاقتران الحراري بين أنظمة الإلكترونات والفونونات (الشبكية)، و${\displaystyle Q(t)}$تمثل طاقة نبضة الليزر التي يمتصها الجسم، والتي تُقاس عادةً بالتدفق الضوئي. ويمكن إجراء بعض التقريبات بناءً على معايير الليزر وعلاقتها بالأطر الزمنية للعمليات الحرارية في الهدف، والتي تختلف باختلاف ما إذا كان الهدف معدنيًا أم عازلًا.

يُعدّ عتبة الاستئصال أحد أهم المعايير التجريبية لتوصيف الهدف، وهي الحد الأدنى من كثافة الطاقة التي يُمكن عندها رصد ذرة أو جزيء معين في سحابة الاستئصال. تعتمد هذه العتبة على طول موجة الليزر، ويمكن محاكاتها بافتراض جهد لينارد-جونز بين الذرات في الشبكة البلورية، وذلك فقط خلال مرحلة محددة من تطور درجة الحرارة تُسمى المرحلة الهيدروديناميكية. مع ذلك، عادةً ما تُحدد هذه القيمة تجريبيًا.

يمكن توسيع نموذج درجتي الحرارة حسب كل حالة على حدة. ومن أبرز هذه التوسعات توليد البلازما. بالنسبة للنبضات فائقة القصر (التي تشير إلى كثافة طاقة عالية)، فقد اقتُرح أن الانفجار الكولومبي يلعب دورًا أيضًا ^{[ 27 ]} لأن طاقة الليزر عالية بما يكفي لتوليد أيونات في عمود الاستئصال. وقد حُددت قيمة المجال الكهربائي لعتبة الانفجار الكولومبي، وهي معطاة بالمعادلة التالية:

$${\displaystyle E={\sqrt {\frac {2\Lambda n_{0}}{\epsilon \epsilon _{0}}}},}$$

أين${\displaystyle \Lambda }$هي طاقة التسامي لكل ذرة،${\displaystyle n_{0}}$هي كثافة الشبكة الذرية و${\displaystyle \epsilon }$هي السماحية العازلة.

تركز بعض تطبيقات الاستئصال بالليزر النبضي على تشكيل وتشطيب المادة المستأصلة، بينما تهتم تطبيقات أخرى بالمادة المقذوفة من الهدف. في هذه الحالة، تُعد خصائص عمود الاستئصال أكثر أهمية في النمذجة.

تناولت نظرية أنيسيموف سحابة غازية بيضاوية الشكل تنمو في الفراغ. في هذا النموذج، يهيمن التمدد الحراري على الديناميكيات الأولية، مع تأثير ضئيل للطاقة الحركية ^{[ 27 ]،} إلا أن الصيغة الرياضية تخضع لافتراضات وشروط في الإعداد التجريبي. وتُعدّ معايير مثل نعومة السطح، والمعالجة المسبقة للبقعة على الهدف، أو زاوية شعاع الليزر بالنسبة للعمودي على سطح الهدف، عوامل يجب أخذها في الاعتبار عند رصد زاوية تباعد ديناميكيات السحابة أو حجمها.