Instituto Nacional de Astrofísica,

Óptica y Electrónica

Julio Cesar Ramirez San JuanDepartamento de Óptica

jcram@inaoep.mxTel 52 (222) 266 3100 Ext.2204

Termocavitacion y algunas aplicaciones

Contenido

1. Motivacion

2. Principios Básicos

3. Métodos de generación de cavitación

4. Cavitación inducida por láseres de baja potencia

5. Algunas aplicaciones

6. Conclusiones

Cavitacion: Un problema viejo

Lord Rayleigh fue el primero que hizo un estudio serio de la

cavitacion alrededor de 1900

Cavitacion es la formacion de burbujas de vapor producidas

por caidas de presion por debajo de la presion de vapor

No todo es malo…

Caviacion inducido por

ultrasonido ha sido usado

para emulsificar tejido no

deseado o pulverizar piedras

en los rinones

Formation of cavitation bubbles on an artificial stone in a shock

wave lithotripter. M.R. Bailey, Center for Industrial and Medical

Ultrasound, U. Washington)

Aplicaciones medicas:

Hemostasis (detener sangrado en organos como rinon o pancreas)

Necrosis de tumores

Immunoterapia

Phacoemulsificacion

Litotripsia

F.D. Gaitan et al. Frontiers of Nonlinear Acoustics 12th ISNA459-463 (1990).

B.P. Barber et al. Nature 352, 318-323 (1991).

Cavitacion Acustica

S. Ptterman, Sci. Amer. 272, 32 (1995)S. Ptterman, Phys. World May (1998)

Colapso ocurre a velocidades supersonicas (4 la velocidad del sonido)!

Emision UV corresponde a una temperatura de 10 000-20 000 K!!

Cavitacion en organismos vivos?

Al cerrar sus tenazas produce un flujo de agua de alta velocidad (causando

una caida de la presion) produciendo una burbuja de cavicion!!!

Durante el colapso se emite ua onda de choque de muy alta amplitud (varios

Gpa´s)

Tipos de cavitacion

Hydraulic.

Acoustic

Particle

Optic

W. Lauterborn, ed., “Cavitation and inhomogeneities

in underwater acoustics” Springer-Verlag (1980).

Laser-induced Cavitation

Vogel. et al Bubble Dynamics and Interface Phenomena

eds: J.R.Blake et al. Kluwer Acad. Publ., 105-117.

Low energy pulses produces very small

damage range and reduce undesirable

collateral damage.

Low absorption coefficient

30 ps

6 ns

Applications:

laser-induced lithotripsy

percutaneous laser disc decompression

artificial heart valve cavitation

non-invasive intraocular surgery

Sonoluminiscence

50 mJ 1 mJ

1 mJ 10 mJ

30 ps & 50 mJ 30 ps & 1 mJ 6 ns & 1 mJ 6 ns & 10 mJ

vsw=2500 m/s

vb=390 m/s

Pmax=1.3GPa

vsw=2750 m/s

vb=780 m/s

Pmax=1.7GPa

vsw=3050 m/s

vb=1850 m/s

Pmax=2.4GPa

vsw=4450 m/s

vb=2450 m/s

Pmax=7.1GPa

Cavitation con CW laseres: Termocavitacion

Experimento

Laser

=532nm

Diode laser

=975nm

PG

PD

SampleL

Camera

PG

White light

source

OS

(a)

100

50

0

300

250

200

150

100

50

(b)

Pro

pa

ga

tio

n d

ista

nce

(m

m)

(c)

150 mm

40 mm

T (°C)

Laser

=532nm

Diode laser

=975nm

PG

PD

SampleL

Camera

PG

White light

source

OS

(a)

Laser

=532nm

Diode laser

=975nm

PG

PD

SampleL

Camera

PG

White light

source

OS

Laser

=532nm

Diode laser

=975nm

PG

PD

SampleL

Camera

PG

White light

source

Laser

=532nm

Diode laser

=975nm

PG

PD

SampleL

Camera

PG

White light

source

OS

(a)

100

50

0

300

250

200

150

100

50

100

50

0

100

50

0

300

250

200

150

100

50

(b)

Pro

pa

ga

tio

n d

ista

nce

(m

m)

(c)

150 mm

(c)

150 mm

40 mm

T (°C)

Descripcion cualitativaSupercalentamiento: calentar el agua arriba de su temperatura de ebullicion

resultando en transicion de fase explosiva (270° to 302°C para agua).

V.P. Skripov, P.A. Pavlov, High Temp. (USSR) 8, 782–787 (1970).

P. Kafalas, A.P. Ferdinand Jr., , Appl. Opt. 12, 29–33(1973).

Aquí se usa agua destillada

(y filtrada) de modo que

nuclesos de cavitacion

practicamente no existen.

La explosion del agua se

logra mediante

perturbaciones.

http://dsc.discovery.com/fansites/mythbusters/mythbusters.html

Dinamica temporal de la cavitacion

0 20 40 60 80 100-80

-60

-40

-20

0

20

P= 69 mW

P=119 mW

velo

cit

y (

m/s

)

time (ms)

0 100 200

0

2

4

streak camera sweep

t i m e (ms )

(PD

sig

na

l)1

/2 a

.u.

collapse

0

50

100

150

200

250

Bu

bb

le ra

diu

s (m

m)

(a) (b)

JC Ramirez-San-Juan et al. "Time-resolved analysis of cavitation induced by CW lasers in absorbing

liquids“ OPTICS EXPRESS 18, 8735-8742 (2010)

Collapse near to a solid interfase

J.R. Black CAVITATION BUBBLES NEAR

BOUNDARIES Ann. Rev. Fluid Mech. 1987. 19: 99-123

(a) (b)

60 80 100 120 140 160

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

Pre

ss

ure

(M

Pa

)

Power (mW)

107.5 108.0 108.5 109.0

0.00

0.50

1.00

Pre

ss

ure

(M

Pa

)

time (ms)

50 100 150 200

20

30

40

50

60

70

Amplitude

Beam Power (mW)

Am

plit

ud

e (

a.u

.)

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Frequency

Fre

qu

en

cy (

Hz)

-1000 -500 0 500 1000

0

100

200

300

400

500

Frequency

Amplitude

Beam position (mm)

Am

pli

tud

e (

a.u

.)

0

1000

2000

3000

4000

Fre

qu

en

cy

(Hz)

Amplitude & frequency of sound waves

Tmax=328°C

@ tcav=2.8ms

,T

C k T Qt

Simulaciones numericas

Tmax=263°C

@ tcav=40ms

Max

imu

mp

ow

er

Th

resho

ldp

ow

er

Copper nitrate salt decomposes at 170 °C into copper(II) oxide,

nitrogen dioxide and oxygen:

2Cu(NO3)2(s) → 2CuO(s) + 4NO2(g) + O2(g)

Copper nitrate can be used to generate nitric acid by heating it

until decomposition and passing the fumes directly into water.

2Cu(NO3)2 → 2CuO + 4NO2 + O2

3NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO

Copper nitrate burns with an emerald green flame.

Fabricacion de nanoparticulas con cavitacion?

The common pentahydrate CuSO4·5H2O form dehydrates, losing

four water molecules at 110 °C and all five at 150 °C.

At 650 °C, copper(II) sulfate decomposes into copper(II) oxide

(CuO) and sulfur trioxide (SO3).

Is there collapse-induced luminiscence?

550 600 650 700 750 800

300

350

400

450

500

550

600

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440Cu(NO

3)

2 Salt

Saturated Solution Cu(NO3)2

Lu

min

isc

en

ce

In

ten

sit

y (

a.u

.)

Wavelength (nm)

Lu

min

isc

en

ce

In

ten

sit

y (

a.u

.)

The pH decreases indicating increase of acidity

Large absorption produces large increase on temperature

DTmax=?? At least 650o C!!

Applications: Microholes

Daño en ITO

Cual es el mecanismo entonces?

Titanio es un metal que se sublima

a 1668 °C.

En el foco estamos alcanzando

algunos miles de °C!!

Biophysical Journal Volume 91 December 2006 4285–4295

Applications: Sonoporation

Enrique Aboytes Rodriguez

Juan Pablo Padilla Martinez

Dr. Ruben Ramos Garcia

Dr. Oscar Baldovino Pantaleon

Dr. Nikolai Korneev

Dr. Luis Raul Berriel

Dra. Adriana Martinez Canton (Postdoc INAOE)

Colaboradores

Schematic representation of laser drilling. ORL0 is the laser radius in the focal plan and

α the numerical aperture. During drilling, the surface is heated (1), melted (2) and

vaporized. The vapour flow becomes supersonic and the recoil pressure expels the melt

layer out of the hole at the side of the focal spot, first horizontally (3) then vertically (4).

At the end of the drilling, the hole breaks through (5).

M Schneider1, L Berthe, R Fabbro and M Muller “Measurement of laser absorptivity for operating parameters

characteristic of laser drilling regime” J. Phys. D: Appl. Phys. 41 155502- 155507 (2008)

”