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

Mario García-Lechuga

Descargar artículo

Información básica

Volumen

V54 - N2 / 2021 Ordinario

Referencia

01-oct

DOI

http://dx.doi.org/10.7149/OPA.54.2.51059

Idioma

English

Etiquetas

Procesado de materiales con láser, microscopía, láseres de femtosegundo

Resumen

En este artículo se resume la motivación, los procedimientos experimentales y los principales resultados de la tesis premiada con el VII Premio Justianiano Casas. En esta tesis se desarrollaron y aplicaron diferentes estrategias basadas en la microscopía resuelta en el tiempo para el estudio de los cambios superficiales inducidos en los materiales tras la excitación con pulsos láser de femtosegundo. En primer lugar, esta técnica de bombeo-muestreo se aplicó al estudio de la dinámica de ablación del niobato de litio, un material dieléctrico cristalino con numerosas aplicaciones en óptica y fotónica. En segundo lugar, se investigó la dinámica de transformación de un vidrio de fosfato al ser irradiado por debajo de su umbral de ablación, condiciones en las que se forma una capa permanente afectada por el calor. Para este estudio se desarrolló una línea de retardo óptica basada en fibra, que permite explorar retardos de hasta 0,5 µs. En tercer y último lugar, se muestra un método capaz de fabricar estructuras periódicas y simultáneamente observar su evolución espacial y temporal. Los resultados presentados en esta tesis demuestran el enorme potencial de la microscopía de sonda de bombeo resuelta en el tiempo para revelar la dinámica del proceso de una multitud de procesos de modificación de materiales tras la excitación con láser de femtosegundo.

Referencias

K. Plamann, F. Aptel, C. L. Arnold, A. Courjaud, C. Crotti, F. Deloison, F. Druon, P. Georges, M. Hanna, J.M. Legeais, F. Morin, é. Mottay, V. Nuzzo, D. A. Peyrot, and M. Savoldelli, "Ultrashort pulse laser surgery of the cornea and the sclera," J. Opt. 12, 084002 (2010).

M. Farsari and B. N. Chichkov, "Materials processing: Two-photon fabrication," Nat. Photonics 3, 450–452 (2009).

Z.-Z. Li, L. Wang, H. Fan, Y.-H. Yu, Q.-D. Chen, S. Juodkazis, and H.-B. Sun, "O-FIB: far-field-induced near-field breakdown for direct nanowriting in an atmospheric environment," Light Sci. Appl. 9, 41 (2020).

P. Balling and J. Schou, "Femtosecond-laser ablation dynamics of dielectrics: basics and applications for thin films.," Rep. Prog. Phys. 76, 036502 (2013).

M. Malinauskas, A. Žukauskas, S. Hasegawa, Y. Hayasaki, V. Mizeikis, R. Buividas, and S. Juodkazis, "Ultrafast laser processing of materials: from science to industry," Light Sci. Appl. 5, e16133 (2016).

M. Chanal, V. Y. Fedorov, M. Chambonneau, R. Clady, S. Tzortzakis, and D. Grojo, "Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon," Nat. Commun. 8, 773 (2017).

A. Ródenas, M. Gu, G. Corrielli, P. Paiè, S. John, A. K. Kar, and R. Osellame, "Three-dimensional femtosecond laser nanolithography of crystals," Nat. Photonics (2018).

D. Puerto, W. Gawelda, J. Siegel, J. Bonse, G. Bachelier, and J. Solis, "Transient reflectivity and transmission changes during plasma formation and ablation in fused silica induced by femtosecond laser pulses," Appl. Phys. A 92, 803–808 (2008).

K. J. Waedegaard, D. B. Sandkamm, A. Mouskeftaras, S. Guizard, and P. Balling, "Probing ultrashort-pulse laser excitation of sapphire: From the initial carrier creation to material ablation," Europhys. Lett. 105, 47001 (2014).

L. Gallais and S. Monneret, "Time-resolved quantitative-phase microscopy of laser-material interactions using a wavefront sensor," Opt. Lett. 41, 3245 (2016).

K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, A. Cavalleri, D. von der Linde, A. Oparin, J. Meyer-ter-Vehn, and S. I. Anisimov, "Transient States of Matter during Short Pulse Laser Ablation," Phys. Rev. Lett. 81, 224–227 (1998).

W. Gawelda, D. Puerto, J. Siegel, A. Ferrer, A. Ruiz de la Cruz, H. Fernández, and J. Solis, "Ultrafast imaging of transient electronic plasmas produced in conditions of femtosecond waveguide writing in dielectrics," Appl. Phys. Lett. 93, 121109 (2008).

M. Garcia-Lechuga, "Técnicas de imagen con resolución temporal aplicadas al procesado de materiales con pulsos láser ultracortos," Universidad Autonoma de Madrid (2017).

J. Bonse, S. Hohm, S. V. Kirner, A. Rosenfeld, and J. Kruger, "Laser-Induced Periodic Surface Structures-A Scientific Evergreen," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 23, 9000615 (2017).

M. Garcia-Lechuga, J. Siegel, J. Hernandez-Rueda, and J. Solis, "Femtosecond laser ablation of dielectric materials in the optical breakdown regime: Expansion of a transparent shell," Appl. Phys. Lett. 105, 112902 (2014).

M. Garcia-Lechuga, J. Siegel, J. Hernandez-Rueda, and J. Solis, "Imaging the ultrafast Kerr effect, free carrier generation, relaxation and ablation dynamics of Lithium Niobate irradiated with femtosecond laser pulses," J. Appl. Phys. 116, 113502 (2014).

M. Garcia-Lechuga, J. Solis, and J. Siegel, "Key stages of material expansion in dielectrics upon femtosecond laser ablation revealed by double-color illumination time-resolved microscopy," Appl. Phys. A 124, 221 (2018).

S. S. Mao, F. Quere, S. Guizard, X. Mao, R. E. Russo, G. Petite, and P. Martin, "Dynamics of femtosecond laser interactions with dielectrics," Appl. Phys. A 79, 1695–1709 (2004).

S. I. Anisimov, N. A. Inogamov, A. M. Oparin, B. Rethfeld, T. Yabe, M. Ogawa, and V. E. Fortov, "Pulsed laser evaporation: equation-of-state effects," Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. Process. 69, 617–620 (1999).

M. Garcia-Lechuga, J. Solis, and J. Siegel, "Melt front propagation in dielectrics upon femtosecond laser irradiation: Formation dynamics of a heat-affected layer," Appl. Phys. Lett. 108, 171901 (2016).

J. Hernandez-Rueda, J. Siegel, M. Garcia-Lechuga, and J. Solis, "Femtosecond laser-induced refractive index changes at the surface of dielectrics: quantification based on Newton ring analysis," J. Opt. Soc. Am. B 31, 1676 (2014).

D. Puerto, M. Garcia-Lechuga, J. Hernandez-Rueda, A. Garcia-Leis, S. Sanchez-Cortes, J. Solis, and J. Siegel, "Femtosecond laser-controlled self-assembly of amorphous-crystalline nanogratings in silicon," Nanotechnology 27, 265602 (2016).

Y. Fuentes-Edfuf, M. Garcia-Lechuga, D. Puerto, C. Florian, A. Garcia-Leis, S. Sanchez-Cortes, J. Solis, and J. Siegel, "Coherent scatter-controlled phase-change grating structures in silicon using femtosecond laser pulses," Sci. Rep. 7, 4594 (2017).

M. Garcia-Lechuga, D. Puerto, Y. Fuentes-Edfuf, J. Solis, and J. Siegel, "Ultrafast Moving-Spot Microscopy: Birth and Growth of Laser-Induced Periodic Surface Structures," ACS Photonics 3, 1961–1967 (2016).

J. F. Young, J. S. Preston, H. M. Van Driel, and J. E. Sipe, "Laser-induced periodic surface structure. II. Experiments on Ge, Si, Al, and brass," Phys. Rev. B 27, 1155–1172 (1983).