A modelagem deste fenômeno complexo, multifísico e multiescala, validada experimentalmente, pode agora ser explorada para controlar a interação laser/matéria, com o objetivo de otimizar o tratamento de materiais, ou funcionalizá-los por meio de uma estruturação 3D. Esses resultados foram publicados na revista Physical Review B.
Os lasers de impulso femtossegundo permitem criar localmente uma forte interação entre a luz e a matéria. Um processo complexo, multifísico e multiescala, pois diferentes processos físicos ocorrem em uma escala de tempo ampliada, desde as centenas de femtossegundos (10-15s) até os nanossegundos (10-9s). Compreender melhor esse fenômeno poderia melhorar muitos processos de tratamento e estruturação de materiais usando lasers femtossegundo, alguns dos quais já são utilizados industrialmente.
Uma equipe do laboratório Lasers, plasmas e processos fotônicos (LP3, Aix-Marseille Université/CNRS) desenvolveu um dispositivo experimental projetado para coletar informações quantitativas sobre a interação de um laser femtossegundo com o vidro (sílica amorfa), em todas as escalas de tempo do fenômeno.
Dois feixes de laser são utilizados, um para criar a interação com o material, o outro para realizar medições ópticas. As medições de transmissão fornecem a quantidade de energia do laser absorvida pela matéria, enquanto as medições de birrefringência - propriedade que caracteriza a anisotropia do material - permitem avaliar as tensões criadas pelas fortes pressões induzidas localmente.
Um pulso laser ultracurto é focalizado dentro de um vidro (SiO2) (imagem acima). Ele gera uma fotoionização do material, revelada pela medição de transmissão óptica transitória (abaixo à esquerda). A relaxação de energia é realizada em parte pela emissão de uma onda de tensão, evidenciada pela medição de birrefringência transitória (abaixo à direita).
© LP3 (CNRS/AMU)
Um modelo multifísico da interação laser/matéria foi elaborado, levando em consideração a propagação dos pulsos do laser, a dinâmica dos elétrons criados pela fotoionização do material e a resposta do material à energia que recebe. As simulações feitas com este modelo, que foi validado experimentalmente, permitiram prever a evolução temporal das propriedades locais do material durante o processo de interação.
Os pesquisadores avaliaram assim a pressão local máxima criada pelo pulso intenso e ultracurto do laser (>10 GPa), assim como a temperatura alcançada (>10.000 K). Além disso, o estudo também revelou que, ao contrário do que se pensava, apenas uma onda de choque de baixa amplitude e curta duração (<500 ps) é gerada pela interação com o laser. Uma fração mínima da energia laser absorvida (2%) contribui para a geração dessa onda.
Dispor de um modelo validado cobrindo todo o processo de interação deve agora permitir melhor controlar a interação laser/matéria, a fim de, por exemplo, obter a estruturação desejada ou evitar o surgimento de defeitos durante o tratamento do material a laser (corte, marcação, soldagem...). A equipe do LP3 lançou assim um novo projeto financiado pela ANR, Espresso, cujo objetivo é explorar as possibilidades de funcionalização da sílica, modificando localmente suas propriedades ópticas, mecânicas e térmicas.
Referências:
Quantitative assessment of femtosecond laser-induced stress waves in fused silica.
Olga Koritsoglou, Guillaume Duchateau, Olivier Utéza, and Alexandros Mouskeftaras.
Physical Review B, publicado em 26 de agosto de 2024.
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.054112
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