Técnicas de imagen con resolución temporal aplicadas al procesado de materiales con pulsos láser ultracortos

Resumen

El uso de láseres pulsados en régimen de femtosegundos (fs) aplicado al procesado de materiales se ha convertido en una potente alternativa frente a otras estrategias, especialmente para el nano y micro-mecanizado. Sin embargo, el conocimiento de los fundamentos que dan lugar a la modificación final del material es todavía incompleto. En esta tesis se ha utilizado y ampliado una técnica de excitación-muestreo combinado con un sistema de microscopia, que permite la captura de imágenes de la superficie del material tras la irradiación de pulsos de fs. Los principales resultados obtenidos son los siguientes. En primer lugar, se ha investigado la superficie de niobato de litio en el régimen de ablación. En la escala temporal ultracorta, se ha observado la formación de una plasma de electrones libres y la aparición de efecto Kerr óptico no-lineal. Además, se ha observado la formación de un fenómeno interferencial durante el proceso ablativo, los llamados anillos transitorios de Newton. Este hallazgo tiene una relevante importancia de carácter fundamental, ya que demuestra que ciertos materiales dieléctricos siguen la misma evolución termodinámica durante la ablación que los metales y semiconductores. En segundo lugar, se ha observado la formación de una capa afectada térmicamente en un vidrio de fostato en un proceso sub-ablativo. Mediante el análisis de las imágenes y modelización óptica se ha determinado la evolución temporal de un frente de fusión propagándose hacia el interior del material. Estos resultados demuestran la importancia de los efectos térmicos en el procesado láser con pulsos ultracortos, en oposición con el concepto de interacción láser-materia no-térmica. En tercer lugar, se presenta una novedosa estrategia capaz de fabricar estructuras periódicas (LIPSS) homogéneas y simultáneamente caracterizar su dinámica de formación. La estrategia se aplica al estudio de LIPSS amorfo-cristalinos en silicio. Los procesos involucrados que han sido identificados son la formación de una elevada densidad electrónica, seguido de un proceso de fusión no-térmico de una fina capa de material y una resolidificación rápida en fase amorfa. Los resultados son consistentes con un mecanismo de formación basado en el aumento de campo local producido por la interferencia entre la luz incidente y la luz dispersada.