ES2248488T3 - Procedimiento de microestructuracion directa de materiales. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de microestructuración directa de materiales por medio de al menos un impulso individual ultracorto o una secuencia de impulsos con aportación de energía definida al material, ajustándose la energía y la duración del impulso en función del material a mecanizar, caracterizado porque se dirigen sucesivamente al menos dos impulsos de láser o trenes de impulsos conformados en el tiempo hacia la superficie del material a mecanizar y se ajusta la distancia de dos impulsos o trenes de impulsos consecutivos para que sea más pequeña o igual que picosegundos, con lo que el impulso siguiente incide en el material a mecanizar mientras dura todavía la variación producida en el primer impulso.

Description

Procedimiento de microestructuración directa de materiales.

La invención concierne a un procedimiento de microestructuración directa de materiales por medio de al menos un impulso ultracorto individual o una secuencia de impulsos con aportación de energía definida al material según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el documento US-A-5 861 196).

La microestructuración directa de materiales diferentes comprende aquí tanto, en materiales transparentes, la modificación del material que conduce a una variación de sus propiedades ópticas (por ejemplo, variación de transmisión por variación del índice de refracción o bien erosión masiva de material o transformación de la fase del material) en el sitio irradiado, como también, en materiales no transparentes, una erosión del material o una transformación de fase, es decir, una transición de una estructura cristalina a otra.

Hasta ahora, se conocen según el estado de la técnica unos procedimientos en los que (descrito, por ejemplo, en LaserOpto 31(3), 91-97 (1999)) se genera la modificación en la superficie o, en materiales transparentes, en su interior con un impulso individual o una secuencia de impulsos de número definido, eligiéndose la intensidad de impulso en cada una de todas las longitudes de impulso de láser empleados de modo que se sobrepase el umbral de modificación por cada impulso individual. Como se informa en Phys. Rev. Lett., 74, 2248-2251 (1995), el umbral de modificación depende de la duración de los impulsos empleados y de la longitud de onda.

En el documento DE 197 11 049 se ha descrito un procedimiento para producir microestructuras tridimensionales en materiales transparentes por medio de irradiación con láser. En este caso, para un tamaño del foco del rayo láser a ajustar sobre la superficie del material a estructurar en función de dicho material, se ajustan la intensidad del impulso de láser por debajo del umbral para la modificación de la superficie y por encima de la intensidad crítica a la que comienza el autoenfoque en volumen, y la posición en profundidad de la estructura a generar, a través de la longitud de impulso y/o la energía de impulso. El procedimiento aprovecha el efecto óptico no lineal del autoenfoque, con lo que se generan microestructuras en el volumen de estos materiales. Sin embargo, el procedimiento no es adecuado para limitar las estructuras en el interior del material a tamaños inferiores a 2 \mum, ya que, debido a las condiciones de enfoque durante la microestructuración con ayuda del autoenfoque, la aportación de energía al material está por encima del umbral de estructuración y se utilizan solamente impulsos individuales.

Si se emplea una secuencia de impulsos para variar el material, la distancia entre los impulsos consecutivos asciende como mínimo a algunos nanosegundos, tal como se informa, por ejemplo, en CLEO 2000 Technical Digest, CWT4, 375-376 (2000) y allí mismo CFD3, 580, (2000), pero en general es de algunas décimas de milisengundo a algunos milisegundos, lo que depende de la frecuencia secuencial del sistema de láser empleado.

Para variaciones del material en el dominio de los micrómetros se emplean, debido a la menor aportación de energía, impulsos de láser con una duración de algunas decenas de picosegundos o subpicosegundos, tal como se informa en la publicación ya mencionada Phys. Rev. Lett. 74, 2248-2251 (1995).

En las soluciones conocidas según el estado de la técnica para la microestructuración directa de materiales se presentan microfisuras y tensiones que reducen la calidad de la estructuración deseada.

Por este motivo, el cometido de la invención consiste en indicar un procedimiento de microestructuración directa de materiales en el que se eviten los inconvenientes citados.

El problema se resuelve con un procedimiento de la clase citada al principio por el hecho de que, según la invención, se dirigen sucesivamente al menos dos impulsos de láser o trenes de impulsos conformados en el tiempo hacia la superficie del material a mecanizar y se ajusta la distancia entre dos impulsos o trenes de impulsos consecutivos para que sea más pequeña o igual que picosegundos, con lo que el impulso siguiente incide en el material a mecanizar mientras dura todavía la variación producida en el primer impulso, y se ajustan la energía y la duración del impulso en función del material a
mecanizar.

El procedimiento según la invención, en el que se distribuye en varios impulsos la energía alimentada al material a mecanizar, hace posible que se ejerza influencia sobre los procesos primarios que se desarrollan en un tiempo muy corto, a cuyo fin se modifican la intensidad relativa y la duración de los distintos impulsos consecutivos, así como su distancia en el tiempo de uno a otro. Es posible así el aprovechamiento de los procesos primarios que se desarrollan en cualquier material después de la acción de un impulso de láser intenso. Por estos impulsos de láser se entiende, por ejemplo, la estimulación de un gran número de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción en materiales transparentes, tal como se ha descrito, por ejemplo, en Nucl. Instr. Phys. Res. B 116, 43-48 (1996), de modo que el estado del material transparente se vuelve semejante al de un metal. En este estado semejante al de un metal el material, que, en caso contrario, sería transparente, frágil y quebradizo se vuelve dúctil durante un tiempo muy corto (la duración de subpicosegundos), es decir que se vuelve tenaz como un metal. El material puede ser mecanizado ahora con un impulso de láser subsiguiente de duración e intensidad adecuadas de modo que se eviten fisuras y tensiones en el material. Cuando se han atenuado los procesos primarios provocados por el primer impulso de láser, el material retorna a su estado original, pero está modificado ahora de la manera deseada en el sitio irradiado. En el procedimiento según la invención se evitan tensiones y fisuras como las que se presentan en el caso de impulsos de láser o trenes de impulsos de láser individuales con distancia de nanosegundos o mayores debido a la fragilidad del material.

En una forma de ejecución según la invención la energía de cada impulso individual está por debajo del umbral de microestructuración (es decir, la energía mínima a la que se presenta una variación del material - como se ha descrito al principio) y solamente la suma de todos los impulsos está por encima de dicho umbral, de modo que se efectúa una aportación muy cuidadosa de energía al material a mecanizar, con lo que - como ya se ha mencionado - se minimiza la aparición de tensiones y fisuras. La condición previa para esto es que el respectivo impulso subsiguiente "note" todavía algo del impulso precedente. Esto ocurre solamente a una escala de tiempo de subpicosegundos o de picosegundos.

Debido a la corta duración de los impulsos y a las pequeñas distancias en el tiempo entre los distintos impulsos en el procedimiento según la invención es posible una estimulación hacia estados intermedios inestables de muy corta vida. Cuando un impulso subsiguiente incide exactamente en este estado, se puede alcanzar debido a su estimulación un nuevo estado que no puede ser controlado por vía directa (con solamente un impulso de láser).

En una forma de ejecución de la invención se ha previsto ajustar de manera diferente la energía y la duración de los impulsos subsiguientes conformados en el tiempo y hacer posibles así condiciones específicas para materiales diferentes.

Otra forma de ejecución prevé ajustar, además, para cada impulso individual una longitud de onda cualquiera en función del material a mecanizar.

Para la microestructuración de cristal de cuarzo se enfocan dos impulsos de láser sobre la superficie del material a mecanizar, cuya distancia de uno a otro es de 0,6 ps y cuya duración de cada impulso es de
0,2 ps.

Para la microestructuración de grafito se emplean en otra forma de ejecución al menos dos impulsos de láser cuya longitud de impulso es menor que 0,2 ps y cuya distancia es menor o igual que 2 ps, generándose un transformación de fase de la estructura de grafito en una estructura de diamante.

En el procedimiento según la invención los impulsos de láser ultracortos, cuya distancia de dos impulsos consecutivos se ajusta menor o igual que picosegundos, son generados por medio del método formador de impulsos en un láser de impulsos cortos, preferiblemente un sistema de láser CPA (chirped pulse amplification = amplificación de impulsos por compresión) (por ejemplo, descrito en OPTICS LETTERS, Vol. 23, No. 20, 15 de Octubre de 1998, 1612-1614), tal como se ha previsto en otra forma de ejecución.

Como resultado del procedimiento según la invención para la microestructuración directa de materiales, estas variaciones pueden ser permanentes o bien no permanentes. El procedimiento según la invención no requiere ninguna mecanización posterior (química) de la variación estructural lograda.

Otras formas de ejecución de la invención están indicadas en las reivindicaciones subordinadas y en el ejemplo de ejecución siguiente, que se explica con más detalle ayudándose de figuras.

La Figura 1 muestra en una micrografía el resultado de una modificación de cristal de cuarzo, en vista en planta y en alzado lateral, con un único impulso cuya evolución se ha representado debajo, y

La Figura 2 muestra en una micrografía las vistas correspondientes de la modificación por medio de un impulso doble.

Para la modificación de una placa de cristal de cuarzo según el estado de la técnica se irradia ésta con un impulso de un láser de Ti-zafiro que presenta una longitud de onda de base de 800 nm. La duración de este impulso individual es de 0,2 ps y su intensidad es de aproximadamente 80 J/cm^{2}. En el alzado lateral de la Figura 1 se puede apreciar una filamentación del canal. Esta se evita en la modificación con un impulso doble según el procedimiento de la invención con el láser anteriormente citado, cuya longitud de impulso, fase y amplitud son variables. El resultado puede apreciarse en la Figura 2. Los dos impulsos se dirigen hacia la placa de vidrio de cuarzo con una distancia de aproximadamente 0,6 ps. La energía total es la misma que se ha indicado para la Figura 1. En el lado izquierdo de la micrografía de la Figura 1 se pueden apreciar fisuras en el material, mientras que éstas ya no se presentan en el caso de una microestructuración con un impulso doble.

Claims (7)

1. Procedimiento de microestructuración directa de materiales por medio de al menos un impulso individual ultracorto o una secuencia de impulsos con aportación de energía definida al material, ajustándose la energía y la duración del impulso en función del material a mecanizar, caracterizado porque se dirigen sucesivamente al menos dos impulsos de láser o trenes de impulsos conformados en el tiempo hacia la superficie del material a mecanizar y se ajusta la distancia de dos impulsos o trenes de impulsos consecutivos para que sea más pequeña o igual que picosegundos, con lo que el impulso siguiente incide en el material a mecanizar mientras dura todavía la variación producida en el primer
impulso.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se ajustan de manera diferente la energía y la duración de los impulsos consecutivos conformados en el tiempo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se ajusta, además, para cada impulso individual una longitud de onda cualquiera en función del material a mecanizar.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la energía de cada impulso individual está por debajo del umbral de microestructuración y la suma de todos los impulsos está por encima de este umbral.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los impulsos de láser ultracortos conformados en el tiempo, cuya distancia de dos impulsos consecutivos se ajusta a un valor inferior o igual a picosegundos, son generados por medio del método formador de impulsos en un láser de impulsos cortos, preferiblemente un sistema de láser con amplificación de impulsos por compresión.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para la microestructuración de cristal de cuarzo se enfocan sobre la superficie dos impulsos de láser, cuya distancia de uno a otro es de 0,6 ps y cuya duración de cada impulso es de 0,2 ps.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para la microestructuración de grafito se emplean el menos dos impulsos de láser cuya longitud de impulso es menor que 0,2 ps y cuya distancia es menor o igual que 2 ps, generándose una transformación de fase de la estructura de grafito en una estructura de diamante.