Materiais vítreos têm sido amplamente estudados, tanto do ponto de vista teórico, como também de seus processos de fabricação, devido ao fato de serem de grande interesse tecnológico, principalmente na sua aplicação em dispositivos para a transmissão de dados, como guias de onda e filtros ópticos. O processamento de superfícies por meio de lasers é importante para uma grande variedade de técnicas de micro-fabricação, como a escrita direta em sistemas de guias de onda, modificação controlada do índice de refração e a texturização em substratos vítreos e vitro-cerâmicos. Além dessas aplicações, a radiação laser vem sendo também amplamente utilizada nos mais variados tipos de processamento de materiais, tais como processos de perfuração, corte e soldagem, sinterização de cerâmicas óxidas, tratamento térmicos superficiais e produção de compostos eutéticos alinhados. A fabricação de microestruturas conhecidas como microlentes vem também despertando muito interesse, pois possuem aplicações importantes em óptica integrada e optoeletrônica. Neste trabalho, nos propomos a estudar os parâmetros envolvidos na formação dessas microestruturas na superfície de substratos vítreos comerciais (do tipo soda-lime-silicate), por meio da radiação laser infravermelha produzida por um laser de CO2 contínuo (l = 10.6 mm). Desta forma, nos propomos a estudar a dependência morfológica das microlentes produzidas com relação à potência do laser incidente, ao tempo de exposição e à temperatura do substrato vítreo.

Placas de vidro do tipo soda-lime-silicate são cortadas e polidas com qualidade óptica e, em seguida, as amostras passam por um processo de limpeza química, a fim de se remover possíveis resíduos orgânicos e inorgânicos de suas superfícies introduzidos nos processos de corte e polimento. Para o tratamento térmico superficial dos vidros preparados, é utilizado um sistema desenvolvido no nosso grupo de pesquisa e que é constituído por um laser de CO2 contínuo e de um sistema X-Y de translação micro-computadorizado. A amostra é então posicionada dentro de um micro-forno localizado no sistema de translação e o feixe do laser é focalizado na superfície polida do substrato, por meio de uma lente de ZnSe e espelhos planos, por um intervalo de tempo, potência do laser e temperatura pré-definidos. Para determinar o perfil das microlentes produzidas, utilizamos de forma sistemática um rugosímetro (Talystep; Taylor-Hobson), disponível no Grupo Crescimento de Cristais e Materiais Cerâmicos (IFSC-USP), a fim de se obter a morfologia das estruturas criadas. Levantado o perfil das microestruturas, estudamos então a variação de alguns aspectos da sua morfologia (altura, diâmetro, curva que melhor se ajusta ao perfil, etc) de acordo com os parâmetros envolvidos na sua formação (potência, tempo e temperatura).

Dos experimentos e da caracterização das microestruturas produzidas, constatamos que não é sob qualquer condição de tratamento térmico que se obtêm microestruturas ópticas de morfologia regular, sem deformidades. Verificamos também que as curvas que melhor se ajustam ao perfil de microlentes produzidas com baixas potências são gaussianas, indicando que, para estas potências, aparentemente existe uma relação entre a forma como se distribui a energia no feixe de laser (gaussiana) com a morfologia da microestrutura que está sendo formada; já para potências mais elevadas, os perfis da maior parte das microestruturas produzidas foram melhor ajustados por polinômios de ordens cada vez mais elevadas também, indicando que o aumento da potência empregada no tratamento térmico implica também em um aumento da complexidade do perfil da microlente produzida. Além dessas constatações, é interessante ressaltar que as variações da altura e do diâmetro das microestruturas com a potência em que foram produzidas não se dão aleatoriamente, pois observamos que sempre foi possível ajustar os pontos por curvas relativamente simples e que nos servem como guias para a observação do comportamento dessas características morfológicas com a variação dos parâmetros envolvidos no tratamento térmico. As mesmas considerações podem ser feitas acerca das relações também constatadas entre a altura e o correspondente diâmetro das microestruturas estudadas.

Neste trabalho de iniciação científica estudamos a dependência morfológica das microlentes com relação à potência do laser incidente, ao tempo de exposição do substrato vítreo durante seu tratamento térmico e à temperatura na qual as amostras são tratadas e, com os resultados obtidos, podemos afirmar que é possível controlar e estimar qual será a morfologia das microestruturas a serem produzidas quando variamos os parâmetros acima citados.

Instituição de fomento: Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Trabalho de Iniciação Científica