Estudio de la dinámica de los mecanismos involucrados en el procesado de dieléctricos con pulsos láser ultracortos

En este contexto favorable, con numerosos logros en la fabricación de dispositivos fotónicos integrados por medio de escritura directa con pulsos ultracortos, existen todavía muchas incógnitas abiertas. Entre ellas se encuentra la necesidad de conocer en detalle la
dinámica de los procesos involucrados y su relación con los cambios estructurales y de índice de refracción del material. Solo estudiando la respuesta dinámica del material será posible identificar los parámetros óptimos del pulso láser que permitan la generación de estructuras con propiedades definidas y controladas. Además, es importante tener en cuenta que no existe una aproximación universal valida para el procesado de cualquier dieléctrico debido a que las propiedades ópticas, térmicas y mecánicas de cada material juegan un papel importante tanto en los procesos de absorción de energía como en la naturaleza de las modificaciones inducidas.

Es por ello necesario la implementación de un sistema que permita una observación in-situ de la dinámica de los procesos involucrados durante el procesado. Para tal fin, la técnica de microscopia óptica con resolución temporal de femtosegundos en superficie y en el seno del material aparece como una herramienta extraordinariamente potente. Esta técnica permite obtener, con una resolución espacial y temporal excelente, la evolución de la reflectancia y la transmisión del material irradiado en superficie o en volumen con pulsos láser de femtosegundos. Además de esto, hemos empleado diferentes técnicas de microcopia, tales como microscopia óptica convencional, microscopia de fuerza atómica y microscopia óptica interferométrica, para el estudio ex-situ de la topografía del cráter de ablación y su entorno.

El objetivo de esta tesis, es por tanto, comprender la dinámica de la respuesta de cada material bajo condiciones de escritura directa con pulsos ultracortos en la superficie y en el seno del material, y optimizar estas condiciones para poder mejorar en última instancia las prestaciones de los dispositivos fabricados. En superficie, la optimización de las condiciones de escritura se centra en conseguir un cráter con paredes suaves y verticales, y de profundidad y diámetro controlable, mientras que en el seno del material pretende obtener un volumen focal con un perfil y tamaño controlado.

Con este fin, se analiza la dinámica de formación-relajación de plasma y del proceso de ablación en la superficie de cada material, y su relación con la formación de diferentes topografías del cráter de ablación. Los resultados obtenidos en la superficie del material son el punto de partida para el estudio de los procesos en el seno del material, con un grado de complejidad diferente debido en parte a la aparición de efectos de propagación no-lineal dentro del material. Estos estudios en el seno del material se centran en analizar la influencia de los diferentes parámetros del pulso láser empleado para la escritura directa de dispositivos, con el fin de optimizar la deposición de energía.
Los materiales bajo estudio son, por un lado, dieléctricos de elevada banda prohibida (en adelante bandgap) como la sílice vítrea con Eg = 7.2 eV y el zafiro con Eg = 9.9 eV. La elección de estos materiales viene motivada por ser materiales de referencia bien caracterizados y por su diferente estructura, siendo la sílice vítrea un material amorfo y el zafiro un material cristalino. El segundo grupo de materiales son dieléctricos de bandgap medio como el vidrio de fosfato MM2 dopado con 2.2 % Er3+ y 2.5% Yb3+ con Eg = 3.6 eV, y el vidrio de óxido de plomo SF57 con Eg = 3.2 eV. El interés de estos materiales radica en que son comúnmente empleados por diferentes grupos de investigación para la generación de guías de onda activas y pasivas por escritura directa con pulsos ultracortos. Esto se debe a que MM2 es fácilmente dopado con tierras raras y tiene una energía de fonón relativamente baja, lo que le convierte en un material óptimo para su uso en dispositivos de amplificación. Asimismo, es un material empleado en la producción de láseres pulsados. El vidrio SF57 posee un índice de refracción no-lineal relativamente elevado, siendo por tanto un material de referencia para la generación de dispositivos ópticos que aprovechen efectos ópticos no-lineales.