La modelización de este fenómeno complejo, multifísico y multiescala, validada experimentalmente, puede ahora ser aprovechada para controlar la interacción láser/materia, con el fin de optimizar el tratamiento de materiales, o funcionalizarlos mediante una estructuración 3D. Estos resultados han sido publicados en la revista Physical Review B.
Los láseres de impulsos de femtosegundo permiten crear localmente una fuerte interacción entre la luz y la materia. Un proceso complejo, multifísico y multiescala, ya que diferentes procesos físicos ocurren en una escala de tiempo que va desde las centenas de femtosegundos (10-15s) hasta el nanosegundo (10-9s). Comprender mejor este fenómeno permitiría mejorar muchos procesos de tratamiento y estructuración de materiales mediante láseres de femtosegundo, algunos de los cuales ya se utilizan industrialmente.
Un equipo del laboratorio Láseres, plasmas y procesos fotónicos (LP3, Universidad de Aix-Marsella/CNRS) ha desarrollado un dispositivo experimental diseñado para recopilar información cuantitativa sobre la interacción de un láser de femtosegundo con el vidrio (sílice amorfa), en todas las escalas de tiempo del fenómeno.
Se utilizan dos haces láser, uno para crear la interacción con el material y otro para realizar mediciones ópticas. Las mediciones de transmisión proporcionan la cantidad de energía láser absorbida por la materia, mientras que las mediciones de birrefringencia -propiedad que caracteriza la anisotropía del material- permiten evaluar las tensiones creadas por las fuertes presiones inducidas localmente.
Un pulso láser ultrabreve se enfoca dentro de un vidrio (SiO2) (imagen superior). Produce una fotoionización del material, revelada por la medición de transmisión óptica transitoria (abajo a la izquierda). La relajación de la energía ocurre en parte mediante la emisión de una onda de tensión evidenciada por la medición de birrefringencia transitoria (abajo a la derecha).
© LP3 (CNRS/AMU)
Se ha elaborado un modelo multifísico de la interacción láser/materia que tiene en cuenta la propagación de los impulsos láser, la dinámica de los electrones creados por la fotoionización del material y la respuesta del material a la energía que recibe. Las simulaciones realizadas con este modelo, validado experimentalmente, han permitido predecir la evolución temporal de las propiedades locales del material durante el proceso de interacción.
Los investigadores han evaluado la presión local máxima creada por el intenso y ultrabreve pulso láser (>10 GPa), así como la temperatura alcanzada (>10.000 K). Además, el estudio reveló que, contrariamente a las ideas preconcebidas, solo se genera una onda de choque de baja amplitud y de corta duración (<500 ps) por la interacción con el láser. Solo una fracción mínima de la energía láser absorbida (2%) contribuye a la generación de esta onda.
Tener un modelo validado que cubra todo el proceso de interacción debería permitir ahora un mejor control de la interacción láser/materia, con el fin, por ejemplo, de lograr la estructuración deseada o de evitar la aparición de defectos durante el tratamiento de un material mediante láser (corte, marcado, soldadura, etc.). El equipo del LP3 ha lanzado un nuevo proyecto financiado por la ANR, Espresso, cuyo objetivo es explorar las posibilidades de funcionalización de la sílice, modificando localmente sus propiedades ópticas, mecánicas y térmicas.
Referencias:
Quantitative assessment of femtosecond laser-induced stress waves in fused silica.
Olga Koritsoglou, Guillaume Duchateau, Olivier Utéza, y Alexandros Mouskeftaras.
Physical Review B, publicado el 26 de agosto de 2024.
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.054112
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