La perforación de vidrio con láseres de femtosegundo es aún mejor

¡Vaso! Es algo delicado. Fuerte como el infierno, pero si lo rompes y lo miras de manera incorrecta, te quedas con un montón de basura afilada. Es al mismo tiempo adorado por su claridad y suavidad, y criticado por lo temperamental que puede ser en caso de choque, ya sea mecánico, térmico o de otro tipo.

Si alguna vez ha intentado perforar vidrio, sabrá que es una tarea difícil. Hacerlo sin romperlo es tan probable como ganar la lotería en Marte. Ni siquiera los láseres son buenos para eso. Sin embargo, un equipo de investigación de Francia ha desarrollado una nueva técnica que utiliza láseres de femtosegundos para perforar agujeros microscópicos en vidrio con un mínimo de ahusamiento y sin grietas. Brillante, ¿no?

Los láseres de femtosegundo son herramientas potentes y útiles, aunque todavía son lo suficientemente oscuros como para requerir explicación. Son láseres que disparan pulsos increíblemente cortos, del orden de 1 femtosegundo a unos pocos cientos de femtosegundos. Si no está familiarizado con el femtosegundo, es 1 x 1015 segundos, o una millonésima de nanosegundo. Estos láseres liberan una gran cantidad de energía en un período de tiempo muy corto, lo que, si nos fijamos en la física, significa una potencia máxima alta. Si bien estos láseres pueden disparar pulsos únicos, también pueden dispararse repetitivamente a velocidades variables. Por ejemplo, algunos láseres de femtosegundos pueden disparar pulsos ultracortos repetidos a una velocidad de gigahercios.

Lo que ofrecen estos láseres es la capacidad de emitir pulsos de energía luminosa de alta intensidad con mucha precisión. Esto los hace muy útiles para tareas muy finas y delicadas que implican destruir cantidades muy pequeñas de material en lo que los científicos llaman ablación. Los pulsos de alta intensidad son capaces de eliminar muchos materiales, mientras que la corta duración de los pulsos de femtosegundos significa que hay un impacto térmico mínimo en las áreas circundantes. De esta manera, los láseres de femtosegundos han demostrado ser útiles para todo, desde la cirugía ocular con láser hasta diversas tareas de micromecanizado.

Sin embargo, cuando se trata de perforar agujeros en vidrio, los láseres de femtosegundo tradicionalmente han tenido malos resultados. Las técnicas habituales implican pulsos únicos de femtosegundo espaciados por un gran período de tiempo. Esto tiende a crear agujeros con penetración limitada que también pueden presentar un estrechamiento significativo y una superficie interior rugosa. El nuevo método es obra de investigadores de la Universidad de Burdeos. En cambio, se basa en pulsos de femtosegundos disparados en ráfagas de gigahercios para perforar microagujeros en el vidrio.

Según el artículo de investigación, esta técnica mecaniza agujeros microscópicos en vidrio mucho mejor. Los investigadores pudieron producir agujeros profundos y sin grietas con una relación de aspecto de hasta 37:1 en vidrio de cal sodada y de hasta 73:1 en sílice fundida. Los agujeros en sí medían sólo entre 27 y 52 μm de diámetro, mientras que alcanzaban entre 510 μm y 1620 μm de profundidad. En el caso de la sílice fundida, el acabado superficial de los agujeros también era de una calidad notable: era "brillante y casi transparente", dijo a Photonics Media la profesora de la Universidad de Burdeos, Inka Manek-Hönningerto.

El equipo utilizó en el estudio un láser Tangor 100 de Amplitude, un láser de femtosegundo dopado con iterbio. El láser produce una potencia promedio máxima de 100 W a 1030 nm, disparando pulsos de 500 femtosegundos. Para perforar los agujeros, el láser disparó ráfagas de cincuenta pulsos de 500 fs a una frecuencia de repetición de 1 GHz. Cada ráfaga de cincuenta pulsos duró 50 nanosegundos. Luego las ráfagas se repitieron a una velocidad de 1 KHz. Esto proporcionó suficiente tiempo entre ráfagas para que el calor se disipara, lo que evitó la creación de una zona afectada por el calor en el material que rodea los agujeros. El equipo señala que los comportamientos de absorción no lineal y los efectos térmicos acumulativos de las ráfagas láser son clave para crear agujeros de alta calidad. Con las ráfagas intensas y repetitivas, la tasa de ablación del material aumenta, lo que ayuda a producir agujeros más profundos y limpios.

La esperanza es que la técnica pueda resultar útil para diversas aplicaciones industriales. La velocidad de la técnica es limitada, para evitar dañar el vidrio por efectos térmicos. Sin embargo, si hay una aplicación que requiere agujeros muy pequeños bien mecanizados en cal sodalica o sílice fundida, esta técnica podría ser la solución. Dado que utiliza hardware láser disponible en el mercado, aunque avanzado, debería ser fácilmente reproducible en otros laboratorios.