Caracterización y control de plasmas de ablación láser para la síntesis de nuevos materiales y como medios ópticos no lineales

Resumen

El trabajo descrito en esta tesis se centra en el estudio de los mecanismos de ablación de materiales mediante láser pulsado y en explorar métodos para ejercer control sobre propiedades de los plasmas de ablación en dos áreas de investigación: la generación de armónicos usando dichos plasmas como medios no lineales y la síntesis mediante la técnica de deposición por láser pulsado de materiales micro y nanoestructurados. El proceso de ablación láser tiene lugar cuando un haz lo suficientemente intenso interacciona con un material. La radiación del láser es absorbida por éste, dando lugar a un aumento de su temperatura. Dependiendo de la intensidad de la radiación, pueden tener lugar procesos como la ruptura de enlaces, fundido y vaporización de las capas próximas a la superficie y en última instancia la eyección de una cantidad de material formándose un plasma de ablación que se expande preferencialmente en la dirección perpendicular a la superficie del material. La ablación láser es por lo tanto un proceso muy complejo que depende de las propiedades de la radiación láser empleada y de las propiedades del material ablacionado. Por este motivo, la investigación encaminada a profundizar en los mecanismos de ablación y a mejorar su aplicación en distintos ámbitos científicos y tecnológicos es de gran interés. En el primer campo de estudio, plasmas obtenidos mediante ablación láser de grafito, carburo de boro y sulfuro de zinc se emplearon como medio no lineal para la generación de radiación coherente de corta longitud de onda (armónicos) a partir de una radiación láser fundamental. Para ello se emplearon pulsos con una longitud de onda de 1064 nm y duración en el régimen de los nanosegundos. Este método permitió obtener información relativa a la composición y dinámica de dichos plasmas mediante el análisis espaciotemporal de su respuesta no lineal. El comportamiento temporal de la señal de armónicos reveló la presencia de dos poblaciones de especies que son responsables del proceso no lineal a distintos tiempos con respecto a la ablación. El segundo campo abordado es la deposición por láser pulsado. Este proceso se basa en colectar sobre un sustrato apropiado el material que es eyectado en la ablación. Se realizaron dos tipos de experimentos. En el primero, se obtuvieron depósitos a partir de plasmas de carburo de boro sobre sustratos de silicio cristalino a temperatura ambiente conteniendo estructuras micrométricas en forma de columna y con características típicas de los materiales cristalinos. El segundo caso se centró en el estudio de la dinámica de ablación y del proceso de deposición por láser pulsado de blancos mixtos de cobalto y sulfuro de zinc mediante un esquema de irradiación de dos pulsos de femtosegundos separados temporalmente. El objetivo último que se persigue es obtener, de forma controlada, depósitos nanoestructurados donde el cobalto esté incluido como dopante en la red cristalina del sulfuro de zinc. El análisis del plasma de ablación producido en la irradiación con doble pulso mostró que la presencia de iones de Co y Zn en el plasma evoluciona de forma diferente con el retraso entre el par de pulsos, lo que sugiere que con este esquema se puede establecer un cierto grado de control sobre la composición del mismo. El análisis morfológico y composicional de los depósitos preparados confirmó la presencia de nanopartículas cristalinas donde el cobalto está incluido en la red del semiconductor. Los resultados del análisis composicional de los depósitos preparados a distintos tiempos de retraso presentaron una alta variabilidad, lo que hace difícil afirmar que se produzca un efecto significativo de dicho retraso en la sustitución de Zn por Co en el semiconductor.