Perfurar vidro com lasers de femtosegundo ficou ainda melhor

Vidro! É uma coisa meticulosa. Forte como o inferno, mas lasque e olhe para o lado errado, e você ficará com um monte de lixo pontiagudo. É ao mesmo tempo adorado por sua clareza e suavidade, e criticado por quão temperamental pode ser em caso de choque, seja mecânico, térmico ou outro.

Se você já tentou perfurar vidro, sabe que é uma tarefa difícil. Fazer isso sem quebrar é tão provável quanto ganhar na loteria em Marte. Mesmo os lasers não são bons nisso. No entanto, uma equipa de investigação francesa desenvolveu uma nova técnica que utiliza lasers de femtossegundos para fazer furos microscópicos em vidro com um mínimo de afunilamento e sem fissuras! Brilhante, não?

Os lasers de femtosegundo são ferramentas poderosas e úteis, embora ainda sejam obscuros o suficiente para exigir explicação. São lasers que disparam pulsos incrivelmente curtos, da ordem de 1 femtossegundo a algumas centenas de femtossegundos. Se você não está familiarizado com o femtossegundo, é 1 x 1015 segundos, ou um milionésimo de nanossegundo. Esses lasers liberam uma grande quantidade de energia em um período muito curto de tempo, o que, se você fizer a física, significa alto pico de potência. Embora esses lasers possam disparar pulsos únicos, eles também podem ser disparados repetidamente em taxas variadas. Por exemplo, alguns lasers de femtosegundo podem disparar pulsos ultracurtos repetidos a uma taxa de gigahertz.

O que esses lasers oferecem é a capacidade de fornecer pulsos de energia luminosa de alta intensidade com muita precisão. Isso os torna altamente úteis para tarefas muito finas e delicadas que envolvem a destruição de quantidades muito pequenas de material, no que os cientistas chamam de ablação. Os pulsos de alta intensidade são capazes de fazer a ablação de muitos materiais, enquanto a curta duração dos pulsos de femtosegundo significa que há um impacto térmico mínimo nas áreas circundantes. Dessa forma, os lasers de femtosegundo provaram ser úteis para tudo, desde cirurgia ocular a laser até diversas tarefas de microusinagem.

Porém, quando se trata de fazer furos em vidro, os lasers de femtosegundo tradicionalmente têm um desempenho ruim. As técnicas usuais envolvem pulsos únicos de femtossegundos espaçados por um grande período de tempo. Isto tende a criar furos com penetração limitada que também podem apresentar afilamento significativo e uma superfície interna áspera. O novo método é trabalho de pesquisadores da Universidade de Bordeaux. Em vez disso, ele depende de pulsos de femtossegundos disparados em rajadas de gigahertz para perfurar microfuros no vidro.

De acordo com o artigo de pesquisa, essa técnica produz furos microscópicos muito melhores no vidro. Os pesquisadores conseguiram produzir furos profundos e sem rachaduras com uma proporção de até 37:1 em vidro de cal sodada e até 73:1 em sílica fundida. Os próprios buracos mediam apenas 27-52 μm de diâmetro, atingindo de 510 μm a 1620 μm de profundidade. No caso da sílica fundida, o acabamento superficial dos furos também era de qualidade notável - sendo “brilhante e quase transparente”, disse Inka Manek-Hönningerto, professora da Universidade de Bordeaux, à Photonics Media.

A equipe usou um laser Tangor 100 da Amplitude no estudo, um laser de femtosegundo dopado com itérbio. O laser produz uma potência média máxima de 100 W a 1030 nm, disparando 500 pulsos de femtossegundos. Para fazer os furos, o laser disparou rajadas de cinquenta pulsos de 500 fs a uma taxa de repetição de 1 GHz. Cada explosão de cinquenta pulsos durou 50 nanossegundos. As rajadas foram então repetidas a uma taxa de 1 KHz. Isto proporcionou tempo suficiente entre as rajadas para que o calor se dissipasse, o que evitou a criação de uma zona afetada pelo calor no material ao redor dos furos. A equipe observa que os comportamentos de absorção não linear e os efeitos térmicos cumulativos das rajadas de laser são fundamentais para criar furos de alta qualidade. Com as rajadas intensas e repetitivas, a taxa de ablação do material é aumentada, ajudando a produzir furos mais profundos e organizados.

A esperança é que a técnica possa ser útil para diversas aplicações industriais. A velocidade da técnica é limitada, para evitar danos ao vidro por efeitos térmicos. No entanto, se houver uma aplicação que exija furos muito pequenos e bem usinados em cal sodada ou sílica fundida, essa técnica pode ser a solução. Dado que utiliza hardware laser pronto para uso, embora avançado, deve ser facilmente reproduzível por outros laboratórios.