Estudio de la interacción de pulsos láser ultracortos conformados temporalmente con materiales dieléctricos

Resumen

Durante las últimas décadas el uso de láseres de femtosegundos (fs) se ha extendido considerablemente dentro del campo de procesado de materiales dieléctricos. El mecanismo de ablación ultrarrápido, en comparación con otros regímenes temporales de procesado con pulsos láser, minimiza en gran medida el daño colateral debido a la disipación térmica, que para pulsos de fs está limitado a un entorno pequeñísimo del área de irradiación. El acoplo energético mediante absorción no-lineal es posible gracias a la elevada potencia de pico (TW) asociada a la corta duración (¿100 fs) de los pulsos láser. A pesar de los grandes logros alcanzados en el procesado no-lineal de dieléctricos, una de las técnicas emergentes empleada para superar algunas limitaciones ligadas al procesado consiste en el conformado temporal de los pulsos láser. En sílice vítrea se ha investigado la influencia de la duración de pulso en el balance de los mecanismos de acoplo de energía en el medio. Para ello se ha relacionado la señal de emisión de plasma integrada temporalmente con los cambios en la topografía de la región irradiada. Se observa que para pulsos cortos (¿100 fs) o ensanchados (¿500 fs) los procesos de excitación dominantes son la ionización multifotónica e ionización por avalancha respectivamente. Asimismo, se ha analizado el efecto de trenes de pulsos en la eficiencia de la profundidad de ablación. Los resultados de topografía muestran que trenes con envolvente decreciente (y menor espaciado temporal inter-pulso) son más eficientemente absorbidos que su análogo con pendiente creciente. En zafiro se ha investigado el efecto de diferentes formas temporales (pulsos ensanchados y trenes de pulsos) en la topografía de las irradiaciones generadas. Los perfiles de cráter muestran diferentes regímenes topográficos, asociados a los procesos de ablación ¿fuerte¿ y ¿débil¿. La extensión lateral de los mismos se puede modular variando la forma temporal del pulso, favoreciéndose el proceso de ablación por explosión de Coulomb para pulsos largos, o el proceso de ablación ¿fuerte¿ para pulsos más cortos. Asimismo, se observa un tercer mecanismo de eyección de material (cráteres generados por trenes de pulsos) asociado a la explosión de material líquido sobrecalentado que permanece bajo la capa ablacionada. Las imágenes de microscopía electrónica de las zonas irradiadas confirman la existencia de este mecanismo debido a sus características. Adicionalmente, se ha investigado el efecto de trenes de pulsos en zafiro y vidrio de fosfato, enfocando el haz láser a cinturas cercanas a la micra. La topografía de irradiaciones en zafiro muestra una reducción del diámetro de cráter conservándose la profundidad. En vidrio de fosfato es posible producir nano-elevaciones por debajo del umbral de ablación. Además, se ha estudiado la dependencia de las nano-elevaciones con el coeficiente de tercer orden de la fase espectral, incrementando la altura y la relación de aspecto altura/diámetro conforme crece el coeficiente de dispersión cúbica. Finalmente, se han investigado los cambios ópticos inducidos en la superficie de los materiales dieléctricos tras la irradiación con pulsos láser de fs. Los cambios se atribuyen a una capa de material modificado bajo la zona afectada por el láser y que actúa como un interferómetro, que se manifiesta en forma de patrones de interferencia en forma de anillos (anillos de Newton). Se ha comprobado que su aparición es un fenómeno general en dieléctricos irradiados con pulsos láser de fs. A partir del análisis de los patrones de interferencia se pueden cuantificar los cambios en el índice de refracción complejo así como el espesor de la capa trasformada. En conclusión, se ha demostrado que utilizando diferentes distribuciones temporales de intensidad para los pulsos láser es posible controlar las características de la topografía y las propiedades ópticas inducidas