Revista de Engenharia Elétrica e Tecnologia Eletrônica

Perfuração a laser de metais na água: um modelo

Júlio Carro

A perfuração a laser de metais em água é um método essencial para a síntese de nanopartículas com uma distribuição de tamanhos e morfologia ajustáveis, dado que existem muitos parâmetros experimentais (energia, frequência, comprimento de onda, duração do pulso, número de pulsos, largura do pulso...) que determinam características das nanopartículas obtidas. Uma das quantidades mais importantes dependentes destes parâmetros são os volumes de crateras a partir dos quais se pode determinar a concentração e o diâmetro das nanopartículas produzidas. Este trabalho mostra que o perfil gaussiano dos impulsos laser utilizados para a perfuração de crateras se projeta no perfil gaussiano da profundidade da cratera obtida versus dependência do raio. A base do modelo é a suposição de que a dependência da fluência com a largura do pulso laser tem a mesma forma matemática que a dependência da profundidade da cratera com o raio da cratera. Foram derivadas as equações correspondentes para estas dependências, que permitiram a derivação da fórmula para o volume da cratera gaussiana. Neste trabalho serão apresentados e comparados dois métodos de determinação de volume de crateras para verificação dos resultados obtidos. O primeiro método baseia-se na observação da cratera como cones truncados por partes e na soma dos seus volumes para obter o volume total da cratera, enquanto o segundo considera a física da projeção do pulso laser gaussiano na forma gaussiana do perfil da cratera, onde os parâmetros são determinados pelo ajuste do perfil gaussiano modificado no perfil da cratera. Ao medir a energia dos impulsos laser utilizando a íris, foi encontrada uma cintura de impulsos laser ω 0  , que não é igual ao raio da cintura ω  da cratera, nem antes nem depois do foco da lente. A comparação dos volumes das crateras medidos por microscopia óptica e os modelados com ajuste gaussiano modificado mostram uma discrepância na gama de ±10  % para o Ag, ±5  % para o ZnO e ±15  % para o Au. O modelo desenvolvido refere que existem 3 pontos relevantes para a descrição completa da cratera dado que esta possui um perfil gaussiano: raio da superfície R 0 , profundidade D  e cintura gaussiana ω  que é igual ao raio às profundidades 1 e 2  . A comparação dos volumes das crateras medidos por microscopia óptica e os modelados com ajuste gaussiano de 3 pontos mostram uma discrepância na gama de ±10  % para Ag, ±15  % para ZnO e ±20 % para o Au. O perfil de fluência dos impulsos laser gaussianos e as áreas de sucessivos buracos de cratera perfurados com cada impulso permitem o cálculo da energia depositada na cratera, onde parâmetros cruciais são o limiar de ablação de um determinado metal para um determinado comprimento de onda e duração de impulso e energia incidente no alvo metálico. As energias obtidas são limitadas por um limite inferior que corresponde à energia mínima necessária para o aquecimento, fusão e evaporação de uma determinada massa de alvo metálico e um limite superior dado como uma energia máxima incidente sobre o alvo metálico para um determinado número de impulsos laser . A diferença no limite superior de energia e na energia depositada é igual à difusão de calor para a vizinhança da cratera e à radiação do plasma inflamado durante a ablação laser.