Научная работа: Наносекундный лазер. Облучение сухих фрагментов краски для татуировки в жидкости

16

ОТЧЕТ. ЭКСПЕРИМЕНТ 28.10.2019

НАНОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕР. ОБЛУЧЕНИЕ СУХИХ ФРАГМЕНТОВ КРАСКИ ДЛЯ ТАТУИРОВКИ В ЖИДКОСТИ

Методы и материалы

В эксперименте использовалась установка Минимаркер-2 (ООО «Лазерный Центр», Россия) на базе иттербиевого импульсного волоконного лазера с длиной волной излучения 1070 нм, средней мощностью излучения до 20 Вт, длительностью импульсов 20 нс и частотой следования импульсов до 100 кГц. Диаметр лазерного фокального пятна 50 мкм. Средняя мощность излучения измерялась с помощью микропроцессорного измерителя (Gentec-EO SOLO2, GentecElectro-Optics, Inc., Канада). Анализ изменений, происходящих с фрагментами краски для татуировки при лазерном воздействии, проводился с помощью оптического микроскопа (Axio Imager.A1m, CarlZeiss, Германия) с ССD-камерой (AxioCam ICc3, CarlZeiss, Германия). Для анализа и обработки оптическихизображений применялась программа ZEN 2 lite.

В экспериментах также использовались дистиллированная вода, глицерин и сухие фрагменты краски для татуировки «TrueBlack» (WorldFamousTattooInk, США) черного цвета. Состав краски: акриловая смола, черный пигмент (PigmentBlack 6-PB6, C.I.77266, углеродная сажа), глицерин, вода, изопропиловый спирт, экстракт гамамелиса виргинского, антимикробный компонент (ДМДМ Гидантоин). Состав черного пигмента: оксид железа (II, III) (Fe₃O₄), оксид железа (II) (FeO), углерод, экстракт кампешевого дерева. Черный пигмент изготовлен из кристаллов магнетита, вюстита, животного (костного) угля, аморфного углерода от сгорания (сажа) и экстракта сердцевины кампешевого дерева (Центральная Америка и Вест-Индия). Черный пигмент поглощает излучение в широком диапазоне длин волн и достаточно мало отражает его, однако наиболее высокая поглощательная способность наблюдается в области 600 - 800 нм. При увеличении длины волны от 470 до 1064 нм значение показателя поглощения черной краски уменьшается от 11770 до 5253 см-¹.

Теоретическая часть

Плотность энергии лазерного излучения

Энергия импульса

Количество импульсов, облучающих каждую точку реза

где d - диаметр лазерного пятна

Экспериментальная часть

Измерение средней мощности лазерного излучения

Таблица 1. Средняя мощность излучения лазерав Вт

Рисунок 1 - Зависимость средней мощности лазерного излучения от частоты следования импульсов (для Р=50 %).

В первых двух экспериментах на предметное стекло были нанесено большое количество высохших фрагментов краски для татуировки. Поверхность стекла была предварительно обезжирена спиртом. Во всех экспериментахлазер работал в сканирующем режиме. Скорость сканированияV_ск=300 мм/с, шаг сканирования 100 мкм, размеры вычерчиваемого лазером элемента (квадрата) - 3х3 мм. Излучение было сфокусировано на поверхность стекла.

Эксперимент 1. Облучение сухихфрагментов краски для татуировки, расположенных на стекле

Мощность излученияР=100 % (P_ср=8.24 Вт), частота следования импульсов f=50 кГц, длительность импульса ф=20 нс.Площадьфрагментов до облучения составлялаот 294.6 мкм²до 567709.6мкм². Количество импульсов, облучающих каждую точку реза,N=8.Энергия импульса Е_имп =0.165 мДж. Плотность энергии лазерного излучения Q=8.41Дж/см².

Во время облучения наблюдались факел и дым. Фрагменты краски разлетались за пределы стекла.

Эксперимент 2. Облучение фрагментов краски для татуировки в глицерине

Фрагмент краски, имеющий площадь993025.2 мкм², был помещён в глицерин с помощью пинцета (см. рисунок 2). Частота следования импульсов f=20 кГц, длительность импульса ф=20 нс. Изменялась средняя мощность лазерного излучения.

Рисунок 2 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в глицерин, до лазерного облучения. Увеличение 5х.

Измерение № 1.Мощность излученияР=50 % (P_ср=1.53 Вт). Количество импульсов, облучающих каждую точку резаN=3. Фрагмент был облучён 3 раза. За 3 прохода N=9.Е_имп=0.077 мДж, Q=3.9Дж/см².Наблюдались факел и дым.Площадь фрагмента после облученияуменьшилась до973170 мкм², т.е. на 2 %(см. рисунок 4(а)).

На рисунке 3(а) видны небольшие скопления краски возле фрагмента.Осколки имеют площадь от 48.8 до 1760.4 мкм².

Рисунок 3 - Фотография фрагмента краски для татуировки, помещённого в глицерин, во время лазерного облучения

Измерение №2. Тот же фрагмент был передвинут с помощью пинцета Мощность излученияР=50 % (P_ср =1.53 Вт).. Фрагмент был облучён 2 раза. За 2 прохода N=6.Е_имп =0.077 мДж, Q=3.9Дж/см². Площадь фрагмента после облучения уменьшилась до 838733 мкм², т.е. на 13.8 %(см. рисунок 4(б)).Осколки имеют площадьот 49.7 до 2336.7 мкм².

Рисунок 4 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в глицерин, после облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с,d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=20 кГц, P_ср =1.53 Вт, Е_имп =0.077 мДж, Q=3.9 Дж/см²) при разном числе импульсов.а-измерение 1.б - измерение 2.Увеличение 5х

Измерение №3. Тот же фрагмент ещё раз был передвинут с помощью пинцета. Мощность излученияР=5 % (P_ср =0.16 Вт). Фрагмент был облучён 1 раз.N=3, Е_имп =8 мкДж,Q=0.41Дж/см².Площадь фрагмента до облучения составляла 980117.4 мкм² (см. рисунок 5 (а)), а после облучения -973377 мкм² (см. рисунок 5(б)).Площадь уменьшилась на 0.7 %.Осколки имеют площадьот 47.6 до 1867.6 мкм².

Рисунок 5 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в глицерин: а - до облучения и б - после облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с, d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=20 кГц, N=3, P_ср =0.16 Вт, Е_имп =8 мкДж, Q=0.4 Дж/см²). Увеличение 5х

Во всех измерениях в результате лазерного воздействия фрагмент частично растворялся в глицерине. На снимках наблюдаются полосы вблизи фрагмента. Среднее расстояние между темными полосами составляет 60.1мкм, что соответствует случаю облучения фрагмента краски сканирующим лазерным лучом с диаметром фокального пятна, равном 50 мкм, пришаге сканирования, равном 100 мкм.

Эксперимент 2.1 Облучение фрагментов краски для татуировки в глицерине

2 фрагмента краски были помещены на предметное стекло с помощью пинцета.На каждый из них была нанесена капля глицерина с помощью пинцета.Изменялась только частота следования импульсов.ф=20 нс, Р=50 %.

Измерение № 1. Фрагмент 1.f=10 кГц. P_ср= 0.757 Вт.Количество импульсов, облучающих каждую точку реза,N2, Е_имп =0.076 мДж, Q=3.86Дж/см².Площадь фрагмента до облучения составляла 192419.7 мкм² (см. рисунок 6(а)). Площадьфрагмента после облучения составляла 216652.5 мкм² (см. рисунок 6(б)).Площадь увеличилась на 12.6 %. Осколки имеют площадьот 48.8 до 2349.8 мкм².

Рисунок 6 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в глицерин: а - до облучения и б - после облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с, d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=10кГц, ,N2, P_ср=0.757 Вт,Е_имп =0.076 мДж,Q=3.86 Дж/см²). Увеличение 5х

Рисунок 7 - Фотография фрагмента краски для татуировки 1, помещённого в глицерин, во время лазерного облучения

Измерение № 2. Фрагмент 2.f=10кГц. P_ср= 0.757 Вт. N2, Е_имп =0.076 мДж,Q=3.86Дж/см². Произошёл сбой в программе. Факел не наблюдался (см. рисунок 8).

Рисунок 8 - Фотография фрагмента краски для татуировки 2, помещённого в глицерин, во время лазерного облучения

Поэтому этот же фрагмент был облучён второй раз. f=30кГц. P_ср= 2.31 Вт.N=5, Е_имп =0.077 мДж,Q=3.92 Дж/см² (см. рисунок 9).Площадь фрагмента до облучения составляла 217708.8 мкм² (см. рисунок 10(а)). Площадь фрагмента после облучения составляла 312385.7 мкм². Площадь увеличилась на 43.5 %. Осколки имеют площадь от 15.2 до 3676.7 мкм².

Рисунок 9 - Фотография фрагмента краски для татуировки 2, помещённого в глицерин, во время лазерного облучения

Рисунок 10 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в глицерин: а - до облучения и б - после облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с, d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=10 и 30 кГц, N=2 и 5, P_ср =0.757 и 2.31 Вт, Е_имп =0.077 мДж, Q=3.9 Дж/см²). Увеличение 5х

Во всех измерениях в результате лазерного воздействия фрагмент частично растворялся в глицерине. На снимках наблюдаются полосы вблизи фрагмента.

Эксперимент 3. Облучение фрагментов краски для татуировки в дистиллированной воде

3 фрагмента краски были помещены на предметное стекло с помощью пинцета.На каждый из них была нанесена капля воды с помощью пинцета. Изменялась только частота следования импульсов. ф=20 нс, Р=50 %.

Измерение №1.f=20 кГц. P_ср=1.53 Вт.Количество импульсов, облучающих каждую точку реза,N=3, Е_имп =0.077 мДж, Q=3.9Дж/см². Фрагмент переместился. В месте, где он располагался изначально, наблюдаются небольшие фрагменты. Площадь фрагмента до облучения составляла 260320.2 мкм², а после облучения -276073.9 мкм² (см. рисунок 11 (а) и (б)).Площадь увеличилась на 6.1 %.Осколки имеют площадь от 0.8 до 5708.1 мкм² (см. рисунок 12).

Рисунок 11 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в дистиллированную воду: а - до облучения и б - после облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с, d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=20 кГц, N=3, P_ср =1.53 Вт, Е_имп=0.077 мДж,Q=3.9 Дж/см²). Увеличение 5х

Рисунок 12 - Оптическое изображение (в проходящем свете)осколков фрагмента краски для татуировки, помещённого в дистиллированную воду, после его облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с, d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=20 кГц, N=3, P_ср =1.53 Вт,Е_имп =0.077 мДж, Q=3.9 Дж/см²). Увеличение 5х

Измерение № 2.f=10 кГц. P_ср=0.757 Вт.N2. Энергия импульса Е_имп =0.076 мДж, Q=3.86Дж/см². Факел не наблюдался.Площадь фрагмента до облучения составляла 166727.6 мкм²(см. рисунок 13 (а)).После облучения фрагмент распался на два крупных осколка, имеющих площадь 84492.6 и 131495.8 мкм², и множество мелких частиц(см. рисунок 13 (б)).

Рисунок 13 - Оптическое изображение (в проходящем свете) фрагмента краски для татуировки, помещённого в дистиллированную воду: а - до облучения и б - после облучения наносекундным лазером (л=1.07 мкм,V_ск=300 мм/с, d₀=50 мкм,ф=20 нс, f=10 кГц, N2, P_ср =0.757 Вт, Е_имп=0.076 мДж,Q=3.86 Дж/см²). Увеличение 5х

Измерение № 3.f=40 кГц. P_ср= 3.13 Вт. N=6, Е_имп =0.078 мДж,Q=3.99 Дж/см². Фрагмент распался на мелкие частицы.Площадь фрагмента до облучения составляла 332837.8 мкм²(см. рисунок 14 (а)), а после облучения 338797.1 мкм²(см. рисунок 14 (б)).Площадь увеличилась на 1.8 %.Осколки имеют площадьот 0.8 до 20905.9 мкм²(см. рисунок 15).