Investigación de estudiante de Óptica destaca en revista de la IEEE


Estudia el efecto de la polarización en la formación de LIPSS en bismuto


Ciencias físicas

El trabajo de investigación de Abigail Fraijo, estudiante de la maestría en Óptica del CICESE, destacó en la edición de diciembre de la revista IEEE Photonics Society News, a través de la cual la sociedad de fotónica del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés) publica de manera bimestral las noticias y actividades, a nivel mundial, con impacto en los campos de láseres, optoelectrónica y fotónica.

En la sección de esta revista “Investigación alrededor del mundo”, Abigail comparte la investigación de su tesis titulada “Efecto de la polarización en la formación de LIPSS en bismuto”. Este proyecto es dirigido por la Dra. Paulina Segovia, investigadora del Departamento de Óptica del CICESE, y forma parte del grupo de procesamiento de materiales con pulsos ultracortos que lidera el Dr. Santiago Camacho, investigador del mismo departamento.

Las LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structures, por sus siglas en inglés) hacen referencia a una técnica de micro o nano estructuración de superficies mediante irradiación láser. El desarrollo estas estructuras ha tomado gran relevancia debido a su capacidad para modificar las propiedades físicas o químicas de las superficies. Actualmente, se han explorado aplicaciones de las LIPSS en áreas de fotónica, biomedicina, microfluídica, tribología, entre otras.

El fenómeno de las LIPSS fue descubierto en 1965, poco después de la invención del primer láser.  Con el paso de los años y el avance de la tecnología láser, ha sido posible explorar de manera más amplia este fenómeno. Las LIPSS se pueden generar con láseres que emiten luz de manera continua o por pulsos de hasta pocos femtosegundos (10-15 segundos), en una amplia gama de materiales, incluyendo metales, semiconductores y dieléctricos; un femtosegundo corresponde a la milbillonésima parte de un segundo.

El control en la formación de las LIPSS depende de los parámetros de irradiación de luz. En particular, la polarización del láser determina la forma de las LIPSS. Es decir, la dirección en la que oscila el campo electromagnético de la luz láser influye en la formación de estas estructuras. En particular, las LIPSS obtenidas con polarización lineal, se presentan como ondulaciones alineadas de manera periódica. Por otro lado, cuando las LIPSS se generan con polarización elíptica o circular, pueden presentar formas más complejas.

Dentro del grupo de procesamiento de materiales con pulsos ultracortos, se ha trabajado en la fabricación de LIPSS en películas delgadas de distintos metales. En el laboratorio, Abigail utilizó un sistema experimental de microprocesado láser, compuesto por un láser comercial de femtosegundos (fs), que emite pulsos de 270 fs a una longitud de 1030 nanómetros (nm), para generar LIPSS sobre una película delgada de bismuto de 500 nm de grosor.

Su estudio se centró en explorar el efecto de la polarización del láser en la formación de estas estructuras. Para esto, adaptó un dispositivo óptico al arreglo experimental para controlar la dirección de polarización de la luz, de manera lineal, elíptica y circular.

Las estructuras resultantes, fueron caracterizadas a través de imágenes obtenidas por un microscopio de fuerza atómica y un microscopio electrónico de barrido. La caracterización se basó en determinar la periodicidad, orientación y uniformidad de las LIPSS.

Abigail explica que la interacción entre el láser y la materia, en particular con láseres de pulsos ultracortos, involucra fenómenos físicos complejos debido a las altas potencias de energía a las que se expone la materia en periodos extremadamente cortos. Además, las propiedades del material también determinan el tipo de interacción.

En la literatura se han propuesto diversas teorías para explicar la formación de las LIPSS, sin embargo, aún no existe una que explique de manera integral todos los fenómenos asociados. Una de las teorías más aceptadas, se basa en la interferencia entre la luz incidente (láser) y las ondas electromagnéticas generadas por la rugosidad de la superficie. La interferencia genera un patrón de intensidad (energía) el cual es absorbido por el material dando origen a la formación de las LIPSS. En particular, en el caso de metales, las ondas electromagnéticas generadas, están asociadas a la excitación de plasmones polaritones superficiales. Por otro parte, existen teorías que sugieren la formación de LIPSS debido a un reordenamiento de la materia, a través de la excitación del material mediante el láser.

Dentro del trabajo que realizó Abigail, uno de los resultados más relevantes fue demostrar de manera experimental que la formación de LIPSS en metales, en este caso bismuto, es un fenómeno dominado por el campo electromagnético. Esto se puede intuir a partir de la caracterización de las LIPSS que obtuvo en sus experimentos, donde la orientación de las estructuras es determinada por la dirección de polarización del láser, y su periodicidad está asociada con la longitud de onda del láser. Además del trabajo experimental, Abigail implementó un modelo teórico en su proyecto. Con el cual realizó simulaciones de sus experimentos, considerando la interacción de la luz con los defectos de rugosidad en la superficie de su material. Con este estudio, pudo comprobar de manera teórica sus resultados experimentales.

‘’Al hablar de aplicaciones de superficies microestructuradas, hay varios aspectos importantes a considerar, uno de ellos es la capacidad de la técnica para generar estas microestructuras a gran escala de manera eficiente. El procesamiento de LIPSS ofrece esta ventaja sobre otras técnicas de microestructuración de superficies. Además, desde el punto de vista industrial, el procesamiento de superficies con láser es una alternativa de bajo costo.’’

Otros estudiantes, dentro del mismo grupo de investigación, han realizado estudios relacionados con la optimización de parámetros para la formación de LIPSS en titanio y bismuto, así como la exploración de LIPSS en áreas extendidas. La contribución del proyecto de Abigail ha motivado a seguir estudiando la formación de estructuras generadas con polarización circular, ahora en diferentes materiales, y la exploración de nuevas aplicaciones.

Hasta ahora, hay una gran variedad de aplicaciones que se han encontrado para las LIPSS, por ejemplo, la coloración estructural de superficies, el mejoramiento en la eficiencia de celdas solares, control de humectabilidad en superficies, así como la reducción de fricción y desgaste de materiales. Recientemente, en el contexto del SARS-CoV-2, se demostró que las LIPSS pueden ser empleadas como superficies antibacteriales o antivirales, ya que, debido a sus características estructurales, pueden llegar a impedir la adhesión de virus o bacterias.

Palabras clave: Óptica, Posgrado, Polarización, láser, ultracorto, IEEE, LIPSS

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