3.2. Arreglo experimental para el procesamiento de materiales
3.2.1. Sistema de Plano Equivalente de Blanco
El sistema de monitoreo PEB es ilustrado en la Figura 9. Su principio de funcionamiento se basa en la luz del haz l ´aser reflejada por la muestra (camino ´optico azul o “B”). El sistema PEB est ´a compuesto por una lente de procesado (LP,fp = 150mm), una lente de magnificaci ´on (LM,
fM = 500mm), un divisor de haz (D.H.), y una c ´amara CMOS Pixelink PL-B776U para la recoleci ´on de la luz reflejada. La c ´amara Pixelink cuenta con un ´area de sensado de6.55mm ×4.92mm y un tama ˜no de pixel de3.2×3.2µm.
Como se puede observar en el camino ´optico “B” de la Figura 9, el sistema PEB es b ´asicamen- te un sistema de magnificaci ´on negativo de dos lentes. La amplificaci ´on de imagen es descrita por
la siguiente ecuaci ´on:
M =−fM
fp
, (27)
dondefM yfpson la distancia focal de la lente de magnificaci ´on y de procesado, respectivamente. El sistema PEB brinda informaci ´on sobre la secci ´on transversal del haz que incide sobre la muestra. El uso de este sistema nos permite determinar de manera experimental los cambios inducidos en la superficie debido a la irradiaci ´on del l ´aser. Estas modificaciones topol ´ogicas alte- ran de manera significativa el perfil de intensidad del haz. En la Figura 11 se ilustra un ejemplo de la evoluci ´on del perfil de intensidad con respecto al n ´umero de pulsos utilizados para irradiar una pel´ıcula delgada de Bismuto. Claramente puede observarse que al incrementar el n ´umero de pulsos se induce una modificaci ´on cada vez m ´as dr ´astica en la topograf´ıa de la superficie; esta modificaci ´on se refleja en el nivel de deformaci ´on que sufre el perfil de intensidad.
(a) (b) (c) (d)
Figura 11.Perfiles de intensidad del haz enfocado tomadas en el PEB. Su deformaci ´on indica un cambio en la morfo- log´ıa de la superficie de una pel´ıcula delgada de Bismuto. Los par ´ametros de irradiaci ´on fueron aλ= 1030nm,τ = 270 fs,frep= 12kHz,F ≈10J/cm2y un n ´umero de pulsos de (a)1, (b)100, (c)1500y (d)3500pulsos.
El sistema PEB tambi ´en puede ayudar a verificar que la incidencia del l ´aser sea normal a la superficie de la muestra. Otra caracter´ıstica del sistema PEB es que nos permite determinar el di ´ametro del haz enfocado sobre la muestra. Para que las mediciones sean confiables, se deben cumplir las siguientes condiciones:
Alineaci ´on de las lentes: La muestra y la c ´amara deben estar a la distancia focal de la lente LP y LM, respectivamente. Esto con el fin de obtener un factor de magnificaci ´on fiable. Alineaci ´on de la muestra y la c ´amara: Verificar que la muestra y la c ´amara est ´en de mane- ra perpendicular al haz l ´aser (incidencia normal) para evitar deformaciones en el perfil de intensidad.
Fluencia de irradiaci ´on: Mantener la fluencia de irradiaci ´on por debajo del nivel de ablaci ´on de la muestra; con el objetivo de evitar modificaciones superficiales que alteren la distribu- ci ´on de intensidad en el plano PEB.
3.2.1.1. Caracterizaci ´on del haz l ´aser
El perfil del haz l ´aser del Satsuma Amplitud HP2 es un perfil Gaussiano que presenta un modo transversal electromagn ´etico TEM00. Acorde a los datos del fabricante, la calidad del haz Gaus-
siano en el eje X (Mx2) es de 1.17 y en Y (My2) es 1.09. El di ´ametro del haz l ´aser a 1/e2 del m ´aximo de intensidad (FWe2M, por sus siglas en ingl ´es ”Full Width at 1/e2 Maximum”) es de W0X = 2.63mm yW0Y = 2.44mm con una incertidumbre de±0.5(Amplitude Systemes, 2016).
La caracterizaci ´on del perfil del haz l ´aser se realiz ´o capturando una imagen en el “Plano del L ´aser” con una c ´amara Pixelink PL-B776U. El perfil de intensidad de la imagen capturada fue extra´ıdo a partir del procesamiento de datos (en Matlab). Despu ´es se realiz ´o un ajuste Gaussiano con ayuda del software Origin para determinar el ancho del haz a la mitad de la m ´axima intensidad (FWHM, por sus siglas en ingl ´es ”Full Width at Half Maximum”). Utilizando el factor de conversi ´on
p
2/ln 2, se logr ´o obtener un di ´ametro del haz l ´aser a FWe2M deW
1X = 2.28 mm yW1Y = 2.34 mm. Estos datos experimentales entran en el rango de valores otorgados por el fabricante del l ´aser Satsuma Amplitud HP2. En la Figura 12 se muestra la imagen capturada, los perfiles de intensidad y sus respectivos ajustes Gaussianos.
Figura 12.Perfiles de intensidad del haz l ´aser (Satsuma Amplitud HP2).
Para la caracterizaci ´on del haz l ´aser enfocado se utiliz ´o el sistema PEB. Una vez capturada la imagen del perfil del haz enfocado se utiliz ´o el mismo procedimiento descrito anteriormente para la caracterizaci ´on del haz l ´aser; dando como resultado un di ´ametro del haz l ´aser enfocado a FWe2M deWX = 102.34µm yWY = 93.97µm. La imagen del perfil del haz l ´aser enfocado y los perfiles enXyY son mostrados en la Figura 13.
La medici ´on del haz l ´aser enfocado demuestra que el perfil no es perfectamente circular. Esto es de esperarse debido a que, como se pudo observar en la caracterizaci ´on del haz l ´aser Satsu- ma Amplitud HP2, la forma del haz l ´aser es el´ıptica. Adem ´as, cabe mencionar que la lente de procesado utilizada en el sistema PEB es una lente esf ´erica. Por lo tanto ´esta lente no corrige aberraciones esf ´ericas, y el perfil del haz l ´aser enfocado se mantiene cuasi-circular. En conse- cuencia, para obtener el ´area del haz l ´aser enfocado se utiliz ´o la Ecuaci ´on 20.
Figura 13.Perfil de intensidad del haz l ´aser enfocado con una lente confp= 150mm.
En la Tabla 6 se muestran los resultados obtenidos de las mediciones en los perfiles del haz l ´aser. El ´area del haz l ´aser enfocado ser ´a posteriormente utilizada para determinar la fluencia por pulso.
Tabla 6.Medici ´on del tama ˜no de secci ´on transversal del haz l ´aser
Par ´ametros Haz l ´aser no enfocado Haz l ´aser enfocado Unidad
fp= 150mm
Di ´ametro X 2280 102.34 µm
Di ´ametro Y 2340 93.97 µm
´
Area effectiva (Aef f) 41.93×10−3 75.54×10−6 cm2