Revista de Ingeniería Eléctrica y Tecnología Electrónica

Perforación láser de metales en agua: un modelo

Coche Julio

La perforación láser de metales en agua es un método esencial para la síntesis de nanopartículas con una distribución de tamaño y morfología ajustables, dado que hay muchos parámetros experimentales (energía, frecuencia, longitud de onda, duración del pulso, número de pulsos, ancho del pulso...) que determinan las características de las nanopartículas obtenidas. Una de las magnitudes más importantes que dependen de estos parámetros son los volúmenes de cráteres a partir de los cuales se puede determinar la concentración y el diámetro de las nanopartículas producidas. Este trabajo muestra que el perfil gaussiano de los pulsos láser utilizados para la perforación de cráteres se proyecta en el perfil gaussiano de la profundidad del cráter obtenido frente a la dependencia del radio. La base del modelo es la suposición de que la dependencia de la fluencia en el ancho del pulso láser tiene la misma forma matemática que la dependencia de la profundidad del cráter en el radio del cráter. Se derivaron las ecuaciones correspondientes para esas dependencias, lo que permitió la derivación de la fórmula para el volumen del cráter gaussiano. En este trabajo se presentarán y compararán dos métodos para determinar el volumen de los cráteres para la verificación de los resultados obtenidos. El primer método se basa en la observación del cráter como conos truncados por partes y la suma de sus volúmenes para obtener el volumen completo del cráter, mientras que el segundo considera la física de la proyección del pulso láser gaussiano sobre la forma gaussiana del perfil del cráter, donde los parámetros se determinan ajustando el perfil gaussiano modificado al perfil del cráter. Al medir la energía de los pulsos láser utilizando el iris,  se encontró la cintura del pulso láser ω 0 , que no es la misma que el radio de la cintura ω  del cráter ni antes ni después del enfoque de la lente. La comparación de los volúmenes de los cráteres medidos por microscopía óptica y los modelados con ajuste gaussiano modificado muestran discrepancias en el rango ±10  % para Ag, ±5  % para ZnO y ±15  % para Au. El modelo desarrollado establece que hay 3 puntos relevantes para la descripción completa del cráter dado que tiene perfil gaussiano: radio de superficie R 0 , profundidad D  y cintura gaussiana ω  que es igual al radio a 1 e 2 de profundidad. La comparación de los volúmenes de los cráteres medidos por microscopía óptica y los modelados con ajuste gaussiano de 3 puntos muestra una discrepancia en el rango de ±10  % para Ag, ±15  % para ZnO y ±20 % para ZnO  . % para Au. El perfil de fluencia de los pulsos láser gaussianos y las áreas de los sucesivos agujeros de cráter perforados con cada pulso permiten el cálculo de la energía depositada en el cráter, donde los parámetros cruciales son el umbral de ablación de un metal determinado para una longitud de onda y una duración de pulso determinadas y la energía incidente sobre el objetivo metálico. Las energías obtenidas están limitadas por un límite inferior que corresponde a la energía mínima necesaria para calentar, fundir y evaporar una masa determinada de objetivo metálico y un límite superior dado como una energía máxima incidente sobre el objetivo metálico para una cantidad determinada de pulsos láser. La diferencia entre la energía del límite superior y la energía depositada es igual a la difusión del calor hacia los alrededores del cráter y la radiación del plasma encendido durante la ablación láser.