La luz que transforma la materia

El láser, término que procede del acrónimo inglés para referirse al proceso de Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación, ha pasado en unas pocas décadas de ser “una solución en busca de un problema” a convertirse en una de las herramientas más económicas, versátiles y ecológicas, para el desarrollo de una enorme gama de aplicaciones que cubren desde las comunicaciones a la biomedicina. El “Strategic Roadmap 2014-2020” de la Plataforma Tecnológica “Photonics 21” presenta un amplio panorama sobre lo que podemos esperar de las tecnologías láser y la fotónica en los años venideros.

El láser se ha convertido en una de las herramientas más económicas, versátiles y ecológicas.

En el caso particular de las aplicaciones en el ámbito del procesado de materiales, la razón para una evolución tan rápida y sorprendente la encontramos en las propias características de la radiación láser. Es una fuente de luz monocromática, que presenta una gran capacidad de enfoque. Podemos concentrar la luz de un láser sobre dimensiones muy inferiores a una micra (1µm=10^-6 m) en función de su longitud de onda (de su “color”). Diferentes tipos de láseres nos permiten además disponer de emisiones que cubren desde el ultravioleta (UV) hasta el infrarrojo (IR). Ello posibilita que podamos acoplar la energía del haz láser de forma muy eficiente en diferentes materiales cuyas bandas de absorción óptica (“colores que absorben”) estén en diferentes regiones espectrales. Por último, la emisión de luz láser puede ser continua o pulsada, con duraciones de pulso que pueden alcanzar unos pocos femtosegundos (1 fs= 10^-15s). Para que nos hagamos una idea de lo que esto significa, en 3 fs la luz recorre menos de una micra.

Si aplicamos un haz láser a un material podemos provocar diferentes transformaciones

Dado que sabemos cómo concentrar grandes cantidades de luz en brevísimos paquetes de energía, podemos generar pulsos de luz de un enorme brillo, lo que equivale a poder disponer de fuentes de luz con inmensas potencias de pico. Estas a su vez, posibilitan  acoplar en un material grandes dosis de energía de forma casi instantánea con una gran precisión espacial. De manera que si aplicamos un haz láser a un material podemos provocar en éste diferentes transformaciones estructurales en función de la fracción de potencia del láser que sea absorbida por el material. Ello da lugar a una gran variedad de aplicaciones en el campo genéricamente conocido como procesado de materiales por láser.

En el Grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica utilizamos láseres pulsados de diferentes tipos y longitudes de onda para la producción y el procesado de materiales con aplicaciones en diferentes ámbitos, como el de la fotónica. Nuestro trabajo se centra en la síntesis de nuevos materiales mediante la técnica de Depósito por Láser Pulsado o PLD (por sus siglas en inglés) y la producción de elementos fotónicos y nanoestructurados por irradiación de materiales con pulsos láser de fs en el IR.

El PLD  permite la evaporación o ablación de un material al irradiar éste con un láser, típicamente UV, con una duración de pulso de unos pocos ns (10^-9 s) y con una densidad de potencia en el entorno de 10⁶-10¹⁰ W·cm^-2. La energía del haz láser se absorbe en una región muy superficial del material, aumentando la temperatura de la región irradiada muy rápidamente (varios miles de grados en unos pocos ns), lo que provoca la eyección de material. El material arrancado, que está tan excitado que emite luz, se expande a gran velocidad y finalmente alcanza un sustrato en el que se deposita. De esta forma es posible sintetizar materiales en lámina delgada cuyo espesor oscila entre unos pocos nm (10^-9 m) y unas pocas µm y cuyas características dependen de las condiciones experimentales. Generalmente el crecimiento tiene lugar en una cámara de alto vacío en la que se puede introducir una atmósfera de composición y presión controlada. Además, como el depósito es pulso a pulso es posible controlar el proceso de depósito a escala nanométrica. La combinación de todas estas características hace posible depositar materiales con propiedades diferentes a las del material de partida o que son muy difíciles de fabricar utilizando otras técnicas de síntesis. Entre ellos destacan los óxidos complejos, como los superconductores de alta temperatura crítica, materiales biocompatibles, nanomateriales u otros compuestos en los que el carbono es un elemento fundamental como los nanotubos de carbono, el carbono con estructura de diamante (Diamond like carbón, DLC por sus siglas en inglés) y el grafeno.

La técnica ha permitido el procesado no-lineal de materiales o la generación de nano-estructuras periódicas

El disponer de fuentes láser con duraciones de pulso de pocos centenares de fs ha permitido el desarrollo relativamente reciente de aplicaciones novedosas como el procesado no-lineal de materiales o la generación de nano-estructuras periódicas con propiedades muy especiales. En el primer caso, la potencia de pico del haz posibilita que sea absorbido incluso por materiales inicialmente trasparentes a la longitud de onda del láser. Este proceso, conocido como absorción no-lineal de luz, puede controlarse de forma que la absorción se produzca en regiones profundas del medio, sin trasformar el material en su camino dentro del medio. Con ello podemos fabricar una amplia gama de dispositivos fotónicos integrados de forma tridimensional, como guías de onda, amplificadores ópticos, láseres integrados, acopladores direccionales, que forman las unidades funcionales de los circuitos ópticos. En el segundo caso, las peculiaridades de la interacción entre los pulsos de luz “ultracortos” y la superficie del material da lugar, en ciertas condiciones, a fenómenos de ablación en los que surgen de forma espontánea estructuras periódicas con dimensiones nanométricas. Estas estructuras presentan interesantísimas propiedades ópticas y superficiales (elevadísima relación superficie/volumen, coloración o irisación, super-hidrofilicidad o hidrofobicidad, super-deslizamiento o super-fricción, funciones bacteriostáticas…).

Sobre los autores: Francisco Javier Solís y José Gonzalo son investigadores del Grupo de Procesado por Láser Instituto de Optica “Daza de Valdés” (CSIC).

* Este artículo pertenece al Especial del Año de la Luz en Next.