Interazione laser-materia nel vetro
In virtù del costo relativamente basso e della facilità di trattamento, i vetri ottici sono diventati materiali estremamente importanti per i settori dell'optoelettronica e della fotonica. Ricerche condotte di recente hanno dimostrato che l'applicazione di impulsi laser a femtosecondi su materiali vetrosi produce modelli tridimensionali con caratteristiche appartenenti alla scala dei nanometri. Ciononostante, l'origine di questi modelli non è ancora del tutto chiara. Il progetto ELEGANT ("Extraordinary laser-induced excitations in glasses: analysis and theory"), finanziato dall'UE, ha tentato di colmare il divario tra i risultati sperimentali delle modifiche del vetro indotte dal laser e la teoria attraverso la conduzione di un'analisi completa. Partendo dallo studio dei materiali in massa, gli scienziati hanno analizzato l'assorbimento del laser fino alla scala temporale del microsecondo. A tal fine, è stato sviluppato un modello opto-termoelastoplastico formato da due parti: la prima descrive il plasma di elettroni liberi generato, mentre la seconda descrive il movimento elastico e deformante del materiale. Inizialmente, gli esperti hanno tentato di approfondire il processo di formazione di nanoreticoli di volumi nella silice fusa, giungendo alla conclusione che le onde del plasma non sono responsabili della formazione di strutture periodiche nel volume del materiale, ma piuttosto dell'instabilità ionizzazione-diffrazione. Nell'ambito dell'iniziativa, sono state analizzate le proprietà termofisiche, ottiche e meccaniche di vari tipi di vetro e di materiali cristallini trasparenti ed è stata scoperta l'idoneità di una tipologia di vetro all'impressione di nanoreticoli. Dagli studi è emerso inoltre che un'inclinazione del fronte dell'impulso con impulsi laser ultracorti determina la cosiddetta "anisotropia" della scrittura con laser. Simulazioni comparative dell'assorbimento di energia laser hanno rivelato che gli impulsi inclinati subiscono un livello di assorbimento elevato rispetto a quelli privi di inclinazione. Da queste prove è emersa una complessa evoluzione della densità dei materiali in seguito al rapido riscaldamento del laser, simile a quella osservata durante gli esperimenti, che causa una deformazione irreversibile del vetro. Tale fenomeno genera uno scenario caratterizzato dalla formazione di bolle. Se tale evento si verifica in regime di soglia, la materia raggiunge un punto di fusione in cui la resistenza alla trazione subisce una riduzione di vari ordini di grandezza. Il gruppo di lavoro ha inoltre concepito un'idea di diagrammi di modifiche indotte dal laser che dovrebbero corrispondere ai livelli di energia e di densità degli elettroni eccitati allo stato libero per il raggiungimento di vari livelli di riscaldamento nei materiali trasparenti. Il progetto ELEGANT ha fornito una descrizione più dettagliata dei meccanismi alla base delle modifiche dei materiali indotte dai laser. I risultati dell'iniziativa creeranno nuove opportunità in termini di sviluppo di microsistemi con caratteristiche riconducibili alla scala nanometrica.
