4.3 Evaluation
4.3.3 Retraining Evaluation
A continuación se explica la motivación para el diseño de la distribución temporal de trenes de pulsos. Con el fin de optimizar el depósito de energía en la superficie de dieléctricos, el diseño se ha basado en información de la dinámica de plasma en sílice vítrea utilizando pulso único de ~100 fs [Pue10]. Asimismo se han tenido en cuenta los resultados de los experimentos estáticos, concretamente la eficiencia de ablación para pulsos de 500 fs de duración.
Figura 4.9: Evolución de la reflectividad y transmitancia durante el
proceso de irradiación de sílice vítrea con pulsos de 100 fs. La imagen que se muestra corresponde a la reflectividad de la superficie para un retardo de 1.5 ps (la transmitancia 0.4 p) después la llegada del pulso de excitación a la superficie de la muestra.
La figura 4.9 muestra la evolución de las propiedades ópticas transitorias de la superficie del material irradiado. Concretamente se ha medido la evolución de la reflectividad y la transmitancia por medio de imágenes de microscopia de la superficie a diferentes retardos temporales con respecto a la llegada del pulso de irradiación [Pue10, Her12]. Las imágenes que se muestran en la figura 4.10
corresponden a la reflectividad de la superficie a 1.5 ps y a la transmitancia a 0.4 ps. Ambas se obtuvieron utilizando una fluencia de excitación de 6.4 J/cm2. La curva de transmitancia, usando un haz de muestreo a 400 nm, muestra un descenso de R que alcanza su mínimo en el entorno de ~500 fs [Chow05, Pue10]. Asimismo la reflectividad crece drásticamente después de 500 fs y alcanza su máximo a 1 ps tras la llegada del pulso de excitación.
El plasma de electrones aumenta la absorción de la superficie del material, produciendo un acoplo eficiente de la energía del pulso láser por bremsstrahlung inverso. A un retardo de 500 fs la curva de transmitancia alcanza su mínimo lo que implica una absorción máxima. Las curvas obtenidas concuerdan con los resultados obtenidos por Chowdhury y colaboradores utilizando un sistema de muestreo puntual, integrando la señal a un escalar por medio de un fotodiodo [Chow05].
Los datos de la dinámica de ablación sugieren que una forma eficiente de depositar la energía del láser en la superficie del material es utilizar trenes de pulsos. Si un pulso inicial genera una cantidad de portadores suficiente por ionización multifotónica, posteriormente pulsos sucesivos pueden ser eficientemente absorbidos por Bremsstrahlung inverso llegando a generar un proceso de avalancha al aumentar la energía de los portadores generados previamente.
Figura 4.10: (a) y (b) muestran los perfiles temporales de los trenes de pulsos
diseñados, con una separación relativa entre pulsos contiguos de 500 fs. (c) y (d) son imágenes de microscopia óptica de la superficie irradiada, y (e) y (f) son los perfiles de topografía de los cráteres a lo largo del eje y.
Se han elegido trenes de pulsos con amplitudes relativas crecientes y decrecientes y con diferentes espaciados como parámetro temporal a explorar. Las gráficas en la figura 4.10 (a) y (b) ilustran la distribución temporal para trenes con un espaciado de 0.5 ps. Estos trenes se han generado utilizando el sistema de conformado temporal usando un algoritmo de tipo Gerchberg-Saxton (ver Cap. 3.1.4b). La caracterización temporal se ha realizado mediante el sistema PG-FROG descrito anteriormente (Cap. 3.2.2).
La eficiencia de acoplo para pulsos con envolvente decreciente (fig. 4.10 a) se manifiesta tanto para la extensión lateral de la región ablacionada, como muestran las imágenes de la figura 4.10 (c) y (d), como en la profundidad de cráter que se muestra en los perfiles de topografía en la figura 4.10 (e) y (f). Este efecto se debe a que para trenes con envolvente creciente el primer pulso (el de menor energía), no es capaz de inducir un plasma suficientemente denso para que absorba eficientemente los fotones de los pulsos sucesivos.
El incremento del ~30 % en la profundidad de ablación producida por trenes con diferentes envolventes es consistente con los resultados reportados por Englert y colaboradores [Eng08]. Cabe mencionar, no obstante, que en dicho trabajo se utilizan trenes de pulsos generados por adición de fase espectral cúbica y el procesado del dieléctrico se desarrolla cerca del límite de difracción.
En la figura 4.11 se pueden comparar los valores de profundidad de cráter producidos por los trenes de pulsos con los generados por pulso único, de 100 fs y 500 fs. El acoplo energético para trenes con envolvente decreciente (cruces rojas) evidencia una ligera mejora en relación al resultado para un pulso largo (500 fs), tanto a 7.5 J/cm2 como a 11 J/cm2. A una fluencia de 7.5 J/cm2 para el pulso de 500 fs se tiene una profundidad muy similar al alcanzado por el tren con envolvente creciente. Sin embargo a 11 J/cm2 la profundidad es mayor para cráteres generados con pulsos de 500 fs que para los generados con trenes de envolvente creciente, esto se debe a la creciente influencia de la ionización por avalancha, que incrementa la eficiencia de pulso ensanchado.
Por otro lado al comparar los resultados de topografía para un pulso de 100 fs a la misma fluencia (7.5 J/cm2 y 11 J/cm2) se observa que el tren de pulsos con envolvente decreciente origina cráteres menos profundos. Esto se debe a que a fluencias moderadas el mecanismo de ionización multifotónica es más eficiente
que el resto de procesos de absorción de energía (en este caso por debajo de 15 J/cm2). A fluencias altas el proceso de generación de cargas por absorción multifotónica satura, de modo que el proceso de ionización por avalancha cobra mayor importancia. Una vez satura la absorción vía ionización multifotónica este régimen se verá favorecido por estructuras temporales que mantengan la inserción de energía en el sistema a lo largo del tiempo, como se vio en el apartado anterior para pulsos de duraciones de pulso entre 0.5 y 1 ps.
Figura 4.11: Profundidad de cráter frente a fluencia, triángulos para
pulso único de 100 fs y círculos para pulsos ensanchados de 500 fs. Las cruces roja y azul corresponden a las profundidades de cráter para trenes de pulsos. Asimismo se muestra un esquema de cómo llegan a la superficie de la muestra, envolvente decreciente rojo y creciente azul.