Láser de femtosegundo

Los láseres de pulsos ultracortos han demostrado ser herramientas únicas y tremendamente versátiles para el procesado y modificación de materiales a una escala micrométrica que supera las técnicas convencionales.
Los láseres de femtosegundos como los que se utilizan en el Instituto de Óptica aplicados en un material modifican su estructura, consiguiendo modificaciones que ya se están aplicando en campos como el procesado 3D de materiales con aplicaciones ópticas, micro/nano-cirugía, nano-texturizado superficial o la fabricación de micro-dispositivos.

En este trabajo, se ha estudiado la redistribución termoforética de modificadores de red en vidrios de silicato al ser trabajado con un láser de femtosegundo. Cuando un haz de láser de femtosegundos se enfoca en el interior de un vidrio, se absorbe una gran cantidad de energía, lo que provoca un aumento de la temperatura local del orden de 10.000 K.

termoforesis

La distribución termoforética consiste en que al aplicar el láser parte del vidrio se funde, generando un gradiente de temperatura alrededor del punto donde se aplica el láser que desplaza hacia fuera las partículas según su peso y creando de esta forma una organización en la estructura del material que sería muy costosa de conseguir de otro modo.

El mecanismo de modificación del vidrio se asemeja a la difusión térmica elemental que se produce en los líquidos basálticos del manto terrestre, pero en una escala de tiempo mucho más corta (10⁸ veces más rápida) y sobre un volumen micrométrico bien definido.
Dado que las propiedades ópticas de un vidrio, como el índice de refracción o la absorción de la luz, dependen en gran medida de su composición, el control de la migración termoforética permitirá diseñar materiales ópticamente ajustables. Esta posibilidad ha fomentado las investigaciones sobre los fundamentos de este fenómeno y su aplicación en el campo de la fotónica mediante modificaciones locales de la composición del material tratado.

Los vidrios de silicato utilizados han sido diseñados expresamente para que sirvan como guías de onda en el infrarrojo
Una característica común en los estudios de redistribución estática de elementos inducidos por el láser de femtosegundo es el uso de vidrios estándar o comerciales.
Aunque estos vidrios son abundantes y económicos, su composición dificulta la creación de dispositivos fotónicos de alto rendimiento. Por esta razón, los investigadores han iniciado un proyecto de investigación a largo plazo para diseñar y fabricar vidrios de fosfato, borato y, ahora, de silicato, que se puedan escribir con láser de femtosegundo.
Una característica clave es la modificación de la composición del vidrio mediante la adición de pequeñas cantidades de óxidos pesados, como el BaO, un material naturalmente abundante y rentable. La combinación de estos óxidos pesados con otros modificadores más ligeros (por ejemplo, Na2O, K2O) les permite producir incrementos locales positivos del índice de refracción tras la irradiación con láser. Además, el barrido de la muestra perpendicular al haz conduce a la creación de estructuras lineales continuas y lisas con un alto rendimiento como guías de ondas ópticas infrarrojas (los análogos a los cables de cobre en electrónica)

El trabajo es una colaboración entre el Instituto de Óptica, el Instituto de cerámica y vidrio del CSIC y los departamentos de física de materiales y de óptica de la universidad Complutense de Madrid