Un modo de fotoionización es un modo de interacción entre un rayo láser y la materia que implica fotoionización . [1]
La luz láser afecta a materiales de todo tipo a través de procesos fundamentales como la excitación , la ionización y la disociación de átomos y moléculas . Estos procesos dependen de las propiedades de la luz , así como de las propiedades del material . El uso de láseres para el procesamiento de materiales requiere comprender y poder controlar estos efectos fundamentales. Se puede lograr una mejor comprensión definiendo distintos regímenes de interacción, de ahí la definición de cuatro modos de fotoionización.
Esta nueva forma de ver la interacción del láser con la materia fue propuesta por primera vez por Tiberius Brastaviceanu en 2006, después de su descripción del "modo de ionización filamentosa" (Universidad de Sherbrooke, 2005). En su trabajo de maestría proporcionó la prueba empírica de la formación de distribuciones filamentosas de electrones solvatados en agua, inducidas por pulsos láser de alta potencia fs ( femtosegundos , una billonésima de segundo) en el régimen de propagación de autoenfoque , y describió el contexto teórico en el que este fenómeno puede explicarse y controlarse. Consulte el artículo principal sobre propagación de filamentos .
El modo SP se obtiene en longitudes de onda pequeñas ( UV , rayos X) o alta energía por fotón , y en niveles de baja intensidad. [ cita requerida ] El único proceso de fotoionización involucrado en este caso es la ionización de fotón único.
El modo OB se observa cuando un material se somete a pulsos láser potentes. [ cita requerida ] Manifiesta un umbral de potencia en el rango de MW para la mayoría de los materiales dieléctricos , que depende de la duración y de la longitud de onda del pulso láser. La ruptura óptica está relacionada con el fenómeno de ruptura dieléctrica que se estudió y modeló con éxito hacia fines de la década de 1950. Uno describe el efecto como una fuerte ionización local del medio, donde el plasma alcanza densidades más allá del valor crítico (entre 10 20 y 10 22 electrones / cm³). Una vez que se alcanza la densidad crítica del plasma, la energía se absorbe de manera muy eficiente del pulso de luz y la temperatura local del plasma aumenta drásticamente. Sigue una expansión Coulombiana explosiva y forma una onda de choque muy poderosa y dañina a través del material que se desarrolla en una escala de tiempo ns. En líquidos, produce burbujas de cavitación. Si la velocidad de formación del plasma es relativamente lenta, en el régimen de tiempo de nanosegundos (para pulsos láser de excitación de nanosegundos), la energía se transfiere del plasma a la red y pueden producirse daños térmicos. En el régimen de tiempo de femtosegundos (para pulsos láser de excitación de femtosegundos), la expansión del plasma se produce en una escala de tiempo menor que la velocidad de transferencia de energía a la red y los daños térmicos se reducen o eliminan. Esta es la base del mecanizado láser en frío que utiliza fuentes láser sub-ps de alta potencia.
La ruptura óptica es un fenómeno muy "violento" y cambia drásticamente la estructura del medio circundante. A simple vista, la ruptura óptica parece una chispa y, si el evento ocurre en el aire o en algún otro fluido, es posible incluso escuchar un breve ruido (explosión) causado por la expansión explosiva del plasma.
Existen varios procesos de fotoionización involucrados en la ruptura óptica, que dependen de la longitud de onda , la intensidad local y la duración del pulso, así como de la estructura electrónica del material. En primer lugar, debemos mencionar que la ruptura óptica solo se observa a intensidades muy altas. Para duraciones de pulso mayores que unas pocas decenas de fs, la ionización por avalancha juega un papel. Cuanto mayor sea la duración del pulso, mayor será la contribución de la ionización por avalancha. Los procesos de ionización multifotón son importantes en el régimen de tiempo fs y su papel aumenta a medida que disminuye la duración del pulso. El tipo de procesos de ionización multifotón involucrados también depende de la longitud de onda.
La teoría necesaria para comprender las características más importantes de la ruptura óptica son:
El modo B/OB es un intermediario entre el modo de ruptura óptica (modo OB) y el modo filamentoso (modo F). [ cita requerida ] La densidad del plasma generada en este modo puede ir desde 0 hasta el valor crítico, es decir, el umbral de ruptura óptica. Las intensidades alcanzadas dentro de la zona B/OB pueden variar desde el umbral de ionización multifotón hasta el umbral de ruptura óptica. En el dominio visible-IR, el modo B/OB se obtiene con un enfoque externo muy ajustado (alta apertura numérica ), para evitar el autoenfoque, y para intensidades por debajo del umbral de ruptura óptica. En el régimen UV, donde el umbral de intensidad de ruptura óptica está por debajo del umbral de intensidad de autoenfoque, no es necesario un enfoque ajustado. La forma del área de ionización es similar a la del área focal del haz y puede ser muy pequeña (solo unos pocos micrómetros). El modo B/OB solo es posible en duraciones de pulso cortas, donde la contribución de AI a la población total de electrones libres es muy pequeña. A medida que la duración del pulso se vuelve aún más corta, el dominio de intensidad donde es posible B/OB se vuelve aún más amplio.
Los principios que rigen este modo de ionización son muy simples. El plasma localizado debe generarse de manera predecible, por debajo del umbral de ruptura óptica. El umbral de intensidad de ruptura óptica está fuertemente correlacionado con la intensidad de entrada solo en duraciones de pulso cortas. Por lo tanto, un requisito importante, para evitar sistemáticamente la ruptura óptica, es operar en duraciones de pulso cortas. Para que se produzca la ionización, se debe alcanzar el umbral de intensidad de ionización multifotónica (MPI). La idea es ajustar la duración del pulso láser de modo que la ionización multifotónica, y quizás en menor medida la ionización por avalancha, no tengan tiempo de aumentar la densidad del plasma por encima del valor crítico.
En el UV, la distinción entre el modo de fotón único (SP) y el B/OB es que para el último opera la ionización multifotón, la ionización de fotón único y, quizás en menor medida, la ionización de avalancha, mientras que para el primero opera solo la ionización de fotón único.
La B/OB se basa principalmente en procesos MPI. Por lo tanto, es más selectiva que la OB en cuanto al tipo de átomo o molécula que se ioniza o se disocia. La teoría necesaria para comprender las características más importantes de la B/OB es:
El modo B/OB fue descrito por A. Vogel et al. [ref 2].
En el modo F, se forman patrones de ionización filamentosos o lineales. [ cita requerida ] La densidad del plasma dentro de estos filamentos está por debajo del valor crítico.
El efecto de autoenfoque es responsable de las características más importantes de la distribución de la dosis. El diámetro de estos rastros de ionización filamentosos es el mismo dentro del 20% (del orden de unos pocos micrómetros). Su longitud, su número y su posición relativa son parámetros controlables . Se cree que la densidad del plasma y el rendimiento de las especies fotolíticas se distribuyen homogéneamente a lo largo de estos filamentos. La intensidad local alcanzada por la luz láser durante la propagación también es prácticamente constante a lo largo de su longitud. El rango de potencia de funcionamiento del modo F está por encima del umbral de autoenfoque y por debajo del umbral de ruptura óptica. En consecuencia, una condición necesaria para que exista es que el umbral de autoenfoque debe ser menor que el umbral de ruptura óptica.
El modo F presenta características muy importantes que, en combinación con los otros tres modos de fotoionización, permiten generar un amplio rango de distribuciones de dosis, ampliando el rango de aplicación de los láseres en el campo del procesamiento de materiales. El modo F es el único modo capaz de generar trazas de ionización lineal.
La teoría necesaria para comprender las características más importantes del modo F son:
La primera conexión concreta entre los efectos ópticos no lineales, como la generación de supercontinuos , y la fotoionización fue establecida por A. Brodeur y SL Chin [ref 4] en 1999, basándose en datos y modelos ópticos experimentales. En 2002, T. Brastaviceanu publicó la primera medición directa de la distribución espacial de la fotoionización inducida en el régimen de autoenfoque, en agua [ref 5].
Es posible controlar la distribución espacial de la dosis inducida por pulsos láser y los rendimientos relativos de especies fotolíticas primarias, controlando las propiedades del haz láser. La distribución de la dosis se puede moldear convenientemente induciendo una superposición de los cuatro modos de fotoionización. Los modos de ionización mixtos son: SP-OB, SP-B/OB y F-OB.