A interação entre pulsos de laser ultracurtos de alta intensidade e sólidos abriu oportunidades tecnológicas significativas nos últimos anos. A ablação a laser, por exemplo, permite o processamento de materiais com alta precisão, facilitando assim a miniaturização de componentes em tecnologias médicas e de telecomunicações. A sinergia entre pulsos de laser intensos e sólidos também pode ser usada para produzir feixes de íons acelerados, que poderiam servir aplicações no tratamento do câncer, pesquisa em energia de fusão e análise não destrutiva de artefatos culturais.
“Há, no entanto, ainda uma série de desafios a superar antes que estas e outras aplicações industriais e médicas possam ser disponibilizadas.“, diz o Prof. Malte Kaluza da Friedrich Schiller University Jena. Especialista em física relativística do laser, Kaluza explica que a principal questão que os pesquisadores enfrentam é como exatamente o plasma é gerado na superfície de um material, o que é crucial para o processamento de materiais e para produzir feixes de íons Em um estudo atual, o Prof. Kaluza e sua equipe deram um passo significativo para explicar essa transição de sólido para plasma induzida por laser. Diário.
De um sólido frio a um plasma de alta temperatura
Os pesquisadores usam o termo “plasma” para descrever uma fase de alta energia na qual os elétrons dos átomos que compõem o objeto sólido são arrancados, ionizando assim o material. Quando um pulso de laser ultracurto e energético encontra uma superfície sólida, esta superfície é aquecida a vários milhões de graus e os elétrons são arrancados dos átomos em uma espécie de avalanche, formando uma “nuvem” que se torna cada vez mais densa. “Tudo isso acontece em menos de um picossegundo – um bilionésimo de segundo“, diz Kaluza. É justamente por isso, explica ele, que ainda não entendemos completamente os complexos processos envolvidos na formação do plasma.”Os experimentos mal conseguiram examinar esta fase inicial da interação entre o pulso de laser e o material, razão pela qual a maioria dos modelos numéricos que descrevem este tipo de interação foram forçados a fazer suposições bastante vagas sobre a velocidade ultrarrápida de sólido para transição plasmática.”
No artigo publicado recentemente, a equipe de pesquisadores da Universidade de Jena e do Instituto Helmholtz Jena se uniu a pesquisadores de Lyon, Bordeaux e Paris para apresentar uma técnica óptica de “sondagem de disparo único”. Esta técnica visualiza totalmente o processo e, assim, permite observar a transição de um objeto sólido para um plasma quente. O ponto de partida é uma folha de carbono transparente e fina como um nanômetro, que é então exposta aos poderosos pulsos de laser POLARIS. Esses chamados pulsos de bomba geram o plasma na folha. A folha inicialmente transparente torna-se opaca devido à formação de uma nuvem cada vez mais densa de elétrons livres.
“Agora podemos observar esse processo em um experimento”, explica a Dra. Yasmina Azamoum, autora principal do artigo. “Conseguimos isso usando um pulso de sonda ultracurto com um amplo espectro óptico.” Este pulso de sonda é configurado de tal forma que algumas cores são atrasadas enquanto outras avançam umas em relação às outras (dando ao pulso o chamado “chirp”). Isso aumenta a duração do pulso. “Agora, se direcionarmos esse pulso de sonda para a folha, a superfície da folha interage com o pulso da bomba e podemos observar o desenvolvimento do plasma ao longo do tempo. As várias fases do desenvolvimento do plasma estão impressas nas diferentes cores do pulso da sonda transmitido, que direcionamos para um espectrômetro atrás da folha para que possamos separar as diferentes cores..”
Modelo de dois estágios explica o mecanismo de formação de plasma
A equipa baseada em Jena e os seus colegas em França trabalharam em conjunto para desenvolver um modelo de interação em duas fases, a fim de interpretar os perfis de transmissão medidos por este método. A primeira etapa examina a dinâmica de ionização no estado sólido, enquanto a segunda etapa examina o aquecimento e a expansão no estado plasma. “Isto significa que, pela primeira vez, podemos registar os processos em funcionamento com alta resolução temporal e espacial“, diz Kaluza, enfatizando a importância dessa inovação. Os pesquisadores esperam que isso beneficie os métodos usados no processamento ultrarrápido de materiais a laser, bem como a tecnologia de íons acelerados por laser.
