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Usinagem micrométrica de dielétricos com pulsos laser ultracurtos

Processo: 09/07912-0
Linha de fomento:Auxílio à Pesquisa - Regular
Vigência: 01 de setembro de 2009 - 31 de agosto de 2011
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica - Processos de Fabricação
Pesquisador responsável:Wagner de Rossi
Beneficiário:Wagner de Rossi
Instituição-sede: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). Secretaria de Desenvolvimento Econômico (São Paulo - Estado). São Paulo , SP, Brasil
Assunto(s):Dielétricos  Usinagem 

Resumo

O surgimento de lasers de pulsos ultracurtos, com largura temporal da ordem de dezenas de femtosegundos (10-14s) possibilitou a obtenção de intensidades de campo elétrico inimagináveis até então. A intensidade de tal pulso laser focalizado pode passar facilmente de 5x10E20 W.m-2 o que corresponde aproximadamente ao campo elétrico que blinda os elétrons de valência nos átomos de 10E9 V.m-1. Isto leva a fenômenos físicos nunca antes observados e tem sido explorado em diversos campos da física e engenharia. Em particular, a usinagem de estruturas controladas de algumas centenas de nanômetros em qualquer tipo de material se tornou possível. Como o aquecimento dos elétrons se dá em um tempo mais curto que o tempo de interação elétron-fonon, é possível que o material seja ejetado antes que haja transferência de calor para a rede, tornando inexistente qualquer zona afetada pelo calor e aumentando enormemente a precisão do dano provocado. Assim, torna-se possível a obtenção de "danos" com dimensões abaixo do comprimento de onda do laser utilizado que é de 800 nm. Com um controle muito preciso da energia e da forma espacial do pulso laser é possível fazer com que somente a parte central deste pulso fique com fluência acima da fluência de limiar de dano para um dado material. Assim, com um pulso no modo fundamental TEM00 com distribuição espacial de energia de forma Gaussiana, podemos obter uma ferramenta de usinagem capaz de produzir estruturas controladas com dimensões de poucas centenas de nanômetros.É obvio que a obtenção de estruturas nanométricas envolve um controle extremamente preciso de diversos parâmetros de processo, como energia, sistema de movimentação e posicionamento do feixe laser, "pointing", etc. Estes controles envolvem sistemas e equipamentos extremamente caros e ainda não estão totalmente disponíveis em nossos laboratórios. Contudo, a usinagem (direta) de estruturas com uma "ferramenta" (ponto focal) com dimensão entre 1 e 3 micra já é perfeitamente possível com pequenas melhorias em nossas instalações. Mesmo assim, a obtenção de tal ponto focal não implica na usinagem de estruturas com estas dimensões. A complexidade do processo de interação laser-matéria nestas intensidades é tamanha, que diversos fenômenos ainda não perfeitamente conhecidos podem acontecer de maneira simultânea. Assim, fenômenos como ablação por efeito Coulomb e transformação de fase explosiva precisam ser controlados para não causarem um dano maior que o esperado. Para cada material, estes fenômenos se manifestam de maneira distinta, e é de fundamental importância que sejam estudados para cada caso para se obter um preciso controle do processo de usinagem na região de poucos micra.Neste trabalho, pretendemos utilizar um feixe laser de femtosegundo para estudar a sua interação com alguns dielétricos e criar uma relação entre os parâmetros de processo e a morfologia e o tamanho físico da região afetada. A partir daí, estruturas pré-projetadas de poucas micra serão usinadas para aplicações específicas. Os casos a serem estudados são: usinagem de microcanais em SiOxNy para microfluídos; furos micrométricos em polímeros para filtros químicos e estruturação superficial em alumina para osteointegração melhorada. De maneira mais aprofundada, serão estudados os mecanismos de formação de danos em vidros ópticos de BK7, safira amorfa e o meio laser ativo Ti:safira monocristalino. O objetivo aqui é aumentar o limiar de dano destes materiais para uso em sistemas laser de alta intensidade.Para cada um destes materiais, a presença dos diferentes fenômenos de extração de material será sintetizada na determinação das regiões de alta e baixa fluência. É sabido que a baixa fluência leva a processos não térmicos, com conseqüente aumento da precisão do dano. A alta fluência por outro lado indica um processo com dano térmico que vai além da dimensão do ponto laser focalizado. (AU)