IO-CSIC
Instituto de Óptica «Daza de Valdés»

Patrones de interferencia láser de femtosegundo versátiles aplicados a la nanoestructuración de silicio de alta precisión

Patrones de interferencia láser de femtosegundo versátiles aplicados a la nanoestructuración de silicio de alta precisión

Grupo de Procesado por Láser (LPG)

  • Nueva técnica láser de femtosegundo mejora las capacidades de nanoestructuración de silicio con un láser comercial.

  • Los patrones de interferencia láser logrados permiten la fabricación de estructuras superficiales y periódicas con tamaños de hasta 120 nm.

Madrid / 9 de agosto de 2024

Un equipo de investigadoras e investigadores del Grupo de Procesado por Láser del IO-CSIC ha publicado un artículo científico en la revista Optics & Laser Technology en el que se presenta una técnica innovadora de nanoestructuración basada en la interferencia de un láser comercial amplificado de femtosegundo. Los científicos lograron mejorar anteriores trabajos fabricando rejillas con períodos sintonizables de hasta 650 nm y puntos amorfos en silicio con tamaños de características de hasta 120 nm. Esta técnica versátil tiene potencial de aplicación directa en procesos industriales de fabricación de materiales de alta precisión.

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En las últimas décadas, la nanoestructuración de materiales utilizando láseres ultrarrápidos ha emergido como un campo de investigación prometedor. Estos láseres calientan menos el material tratado y logran tamaños de resolución más pequeños y nítidos en comparación con los láseres de nanosegundos.

En este trabajo, el equipo de investigación ha llevado a cabo un estudio innovador sobre la nanoestructuración de silicio utilizando la interferencia de un láser amplificado de femtosegundo comercial. La técnica empleada se basa en la formación de patrones de interferencia láser directa (DLIP), que permite la fabricación de estructuras superficiales periódicas de alta precisión de una sola pasada. Este enfoque presenta una versatilidad excepcional y un potencial significativo en la fabricación rápida y precisa de metasuperficies en una amplia gama de materiales, lo que abre nuevas oportunidades en la fabricación a escala nanométrica y promete un impacto sustancial en diversos campos, como la fotónica, biología, medicina, microfluidos y otras.

Esquema de las distintos dispositivos por los que pasa un rayo láser rojo y ejemplos de las líneas que causa en el material
Configuración experimental para nanoestructuración fs-DLIP junto con distribuciones de intensidad registradas experimentalmente en el plano de muestra, mostradas en falso color: (a) Distribución de intensidad normalizada para una sola red de difracción (Ronchi ruling) con período de G = 50 μm y un objetivo de microscopio Mag. 20x (MO) (b) región ampliada de (a), (c) dos redes de difracción cruzadas con G = 50 μm, (d) red de difracción simple con G = 100 μm.
Las siglas de los componentes de la configuración son: apertura (A), lámina de media onda (λ/2), lámina de cuarto de onda (λ/4), divisor de haz polarizador (PBS), lente de enfoque (FL), objetivo de microscopio (MO), lente de tubo (TL).
Para llevar a cabo este estudio, el equipo de investigadores utilizó un láser amplificado de femtosegundo Ti:Sa comercial con una longitud de onda de 800 nm, una duración de pulso de 120 fs y una frecuencia de repetición de 1 kHz. Empleando elementos ópticos difractivos comerciales y componentes ópticos estándar, se diseñó el experimento de nanoestructuración láser que permitió la fabricación de líneas periódicas con períodos sintonizables de hasta 650 nm. Además, se consiguió fabricar redes de difracción de tamaño milimétrico utilizando irradiación multipulso a velocidades de procesamiento de hasta 0,5 mm/s. Con las mismas técnicas de nanoestructuración láser de femtosegundo, los investigadores e investigadoras también demostraron sus posibilidades creando puntos amorfos en silicio con tamaños de características de hasta 120 nm. La fluencia del láser y el ancho de la franja se utilizaron para conseguir formar nano estructuras complejas, lo que reveló la presencia de varios procesos de reorganización de la materia en la fase fundida. Estos resultados destacan la versatilidad y precisión de la técnica empleada, allanando el camino para futuros estudios relacionados con el tratamiento láser de un solo pulso y brindando nuevas oportunidades en la comprensión de los mecanismos de formación de estructuras superficiales complejas en diversos materiales.

¿Qué es el patrón de interferencia láser directa?

La técnica de patrón de interferencia láser directa (DLIP) es una técnica que permite la fabricación de estructuras periódicas a nanoescala en una gran variedad de materiales y en áreas extensas. Esta técnica consigue que el láser con que se irradia el material esté modulado periódicamente por rayos secundarios de forma que en vez de en un punto el láser ataca el material formando un patrón de una sola pasada.

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