Los experimentos consisten en la realizaci ´on de una serie de irradiaciones, de manera puntual; variando la fluencia y el n ´umero de pulsos.
Debido a que uno de los objetivos de este trabajo es inducir la formaci ´on de LIPSS por de- bajo del umbral de ablaci ´on (en las pel´ıculas delgadas de Bi y Ti), fue necesario desarrollar dos m ´etodos experimentales:
1. M ´etodo para determinar el umbral de ablaci ´on de cada material. 2. M ´etodo de irradiaci ´on para la generaci ´on de LIPSS.
3.3.1. Determinaci ´on del umbral de ablaci ´on
La ablaci ´on l ´aser es un proceso f´ısico en el cual la luz es capaz de remover material de una muestra solida. La ablaci ´on l ´aser se basa en la conversi ´on de la energ´ıa ´optica a energ´ıa t ´ermi- ca por medio de la excitaci ´on de electrones. Si la fluencia es suficientemente alta, los enlaces qu´ımicos pueden destruirse y parte del material comenzar ´a a ser expulsado. Estas altas fluencias son f ´aciles de alcanzar enfocando el haz incidente sobre la muestra. En ese sentido, existe una
fluencia umbral de ablaci ´on l ´aser para cada material, y en el caso de l ´aseres pulsados el proceso de ablaci ´on es conducido principalmente por la fluencia del pulso y la duraci ´on del pulso.
En este trabajo de tesis, el m ´etodo utilizado para la determinaci ´on del umbral de ablaci ´on de las muestras se basa en el fen ´omeno conocido como:Efecto de Incubaci ´on; es decir, un compor- tamiento observado en el procesamiento de materiales con m ´ultiples pulsos l ´aser. Para emplear este m ´etodo se requiere observar la evoluci ´on del cr ´ater de ablaci ´on con respecto al n ´umero y energ´ıa por pulso. En general, para determinar el umbral de ablaci ´on es necesario correlacionar dos par ´ametros:
Radio del cr ´ater de ablaci ´on: este valor es determinado a partir de la medici ´on del radio de los cr ´ateres de ablaci ´on realizados experimentalmente.
Radio del perfil de un haz propagado: se simula la propagaci ´on un haz Gaussiano sobre una abertura circular y una lente de procesado, correspondientes a los par ´ametros utilizados en el arreglo experimental. Despu ´es se calcula la fluencia con respecto a la distancia en el plano de irradiaci ´on.
Consecutivamente, midiendo el radio de los cr ´ateres de ablaci ´on es posible obtener la fluencia de ablaci ´on generada por el haz enfocado a trav ´es de su correlaci ´on con el radio del perfil de fluencia calculado (Dumitruet al., 2002).
3.3.1.1. C ´alculo del perfil de fluencia en el plano de irradiaci ´on
Con la finalidad de obtener cr ´ateres de ablaci ´on con mayor di ´ametro, una abertura circular fue colocada antes de la lente de procesado. Una abertura circular bloqueando el haz de un di ´ametro mayor induce un efecto de difracci ´on (anillos de Airy). Acorde con el l´ımite de difracci ´on y la transformada de Fourier; el perfil espacial y temporal de un pulso Gaussiano puede ser descrito de la siguiente manera: G0(r, t) =E0e−( r w) 2 e−2 ln (2)(τt) 2 , (29)
dondewyτ son el radio espacial y duraci ´on temporal a1/e, respectivamente. Es posible calcular anal´ıticamente la propagaci ´on del campo el ´ectrico (Ecuaci ´on 29) despu ´es de pasar por la abertura circular y una lente de enfoque, a partir de la teor´ıa de difracci ´on de Huygens-Fresnel, dando como
resultado la siguiente expresi ´on: G(r, t) =E0 i2π(rd)2 λz e −2 ln (2)(t τ) 2 e− ikr2 2z Z 1 0 ρe−(ρrdw) 2 e ik(rd)2ρ2 2f e− ik(rd)2ρ2 2z J0 krdρr z ρdρ, (30)
dondeJ0 es una funci ´on Bessel de orden cero,rd es el radio de la abertura circular,f es la dis- tancia focal de la lente de enfoque yλes la longitud de onda (Goodman, 2005).
Figura 19.Perfil de fluencia calculado a40µJ para un haz a propagaci ´on libre (l´ınea negra), y propagaci ´on a trav ´es de una abertura circular (o).
Determinando la intensidad con la Ecuaci ´on 30, es posible calcular la distribuci ´on espacial de la fluencia local (densidad de energ´ıa)F(r)de la siguiente manera:
F(r) = Z ∞ −∞ I(r, t)dt= r π 4 ln (2)τ I(r), (31)
dondeI(r, t)es la distribuci ´on de intensidad del pulso Gaussiano despu ´es de la abertura circular y la lente de enfoque. La Ecuaci ´on 31 nos permite obtener la fluencia local en cualquier coordenada radial de los anillos de Airy. En la Figura 19 se muestra el c ´alculo del perfil de fluencia para un haz Gaussiano con propagaci ´on libre y un haz difractado por una abertura circular de radiord= 1 mm. Ambos c ´alculos fueron realizados a un energ´ıa por pulso de40µJ. Note la diferencia en los valores de fluencia pico y la distrubuci ´on radial de: (a) el perfil de fluencia propagada libremente, y (b) el perfil de fluencia del primer anillo de Airy.
3.3.1.2. Arreglo experimental para la generaci ´on de los cr ´ateres de ablaci ´on
Los experimentos de ablaci ´on fueron realizados en aire a una frecuencia de repetici ´onfrep = 1 kHz, una duraci ´on de pulsoτp = 270fs, a una longitud de onda centralλ= 1030nm y utilizando una LP con distancia focal de75 mm. En la Figura 20 se muestra la configuraci ´on experimental (Plano de Irradiaci ´on), la cual est ´a compuesta por un iris 3 y la lente LP. Cabe destacar que el experimento con Bismuto se llev ´o a cabo utilizando una abertura del iris 3 derd= 0.75mm; mien- tras que para el experimento con Titanio se utiliz ´o una abertura derd = 1.00 mm. La diferencia delrd para los experimentos de Bismuto y Titanio depende de las propiedades f´ısicas de cada material, ya que el Bismuto tiende a ser un material m ´as sencible a la ablaci ´on. Considerando los par ´ametros de irradiaci ´on anteriores, fue posible realizar una matriz de irradiaciones variando el n ´umeros de pulso y utilizando diferentes energ´ıas por pulso.
Figura 20.Diagrama experimental para la determinaci ´on del umbral de ablaci ´on.
A trav ´es de este arreglo experimental, la aparici ´on de estos anillos en las zonas aleda ˜nas a la irradiaci ´on fue inevitable; sin embargo, no representaron desventaja alguna para el objetivo de este experimento. Por el contrario, el patr ´on de difracci ´on puede ser utilizado para caracterizar el haz de incidencia. Si la fluencia de ablaci ´on umbral en el material es menor que el primer m ´aximo de difracci ´on, entonces se presenta en la muestra el primer anillo de difracci ´on de Airy al primer pulso. En el caso opuesto, el anillo de Airy solo aparece despu ´es de varios pulsos depositados sobre la muestra debido al mecanismo de acumulaci ´on de da ˜no (Jeeet al., 1988).
3.3.2. Irradiaciones para la generaci ´on de LIPSS
El m ´etodo de generaci ´on de LIPSS se basa en la creaci ´on de una matriz de irradiaciones puntua- les [Fp×N] (Figura 21).Fp es la fluencia por pulso depositada en cada fila, yN es el n ´umero de pulsos utilizados en cada irradiaci ´on.
Figura 21.Esquema del modelo de irradiaci ´on utilizado en las pel´ıculas delgadas.
El objetivo de realizar esta matriz es observar la evoluci ´on en la formaci ´on de las LIPSS con respecto al n ´umero de pulsos y la fluencia por pulso depositada. As´ı mismo, este experimento tiene como prop ´osito optimizar los par ´ametros de irradiaci ´on para generar LIPSS.
Considerando que la orientaci ´on de las LIPSS depende de la direcci ´on de polarizaci ´on inciden- te; se realizaron l´ıneas de ablaci ´on de referencia (L.R.) mostradas en la Figura 21. Estas l´ıneas de referencia son creadas con la finalidad de identificar la polarizaci ´on incidente sobre la muestra al momento de analizar las estructuras con las t ´ecnicas de caracterizaci ´on.