Evolución y dinámica de plasmas inducidos por láser

Résumé

La espectroscopia de ruptura inducida por láser (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) es una técnica de análisis y caracterización de sólidos, líquidos, gases y aerosoles. La irradiación de una muestra con un láser pulsado de alta potencia puede resultar en la emisión explosiva de átomos, moléculas e iones por rotura dieléctrica. Las características del plasma, así como su composición, temperatura de excitación y densidad electrónica, son aspectos muy importantes para la compresión de los procesos en su interior y deducir sus propiedades. Entre las posibles técnicas de diagnóstico de dicho plasma, la técnica de espectroscopia óptica de emisión (Optical Emission Spectroscopy, OES) junto con la resolución temporal y espacial, posee ventajas para evaluar el origen de las especies formadas y la dinámica de su expansión. Se ha estructurado la presente tesis en los siguientes capítulos, con sus respectivos objetivos: 1.- Introducción. Se realizará una breve introducción al tema del presente trabajo. 2.- Fundamentos de LIBS. Se expondrán y desarrollaran los fundamentos de la técnica LIBS. 3.- Parte Experimental. Se expondrán los montajes experimentales, equipos empleados y la preparación de muestras. 4.- Presentación de resultados. En él se agrupan y presentan los resultados de los estudios mediante LIBS de las especies químicas en los plasmas formados inducidos por los láseres empleados. Este capítulo será el grueso, recogiendo los resultados realizados más relevantes y que han sido publicados y/o presentados a la comunidad científica en congresos internacionales. En ellos se ha estudiado el plasma inducido al focalizar un láser de alta potencia en el interior de un gas o sobre una superficie sólida. Para ello se recogió el espectro de emisión, se analizaron las distintas especies presentes y se realizó el seguimiento de la intensidad de las líneas de los átomos, iones y moléculas, empleadas para calcular la temperatura electrónica y el ensanchamiento debido al efecto Stark, lo que permitió calcular la densidad electrónica. En el caso de gases, se prestó especial atención a la variación producida en la emisión espectral de las distintas especies con cambios de presión de gas o de intensidad de radiación, así como al umbral en el que se produce la ruptura de la muestra. Se realizó una evaluación de la dinámica de la expansión y formación de las diferentes especies para distintos tiempos tras la llegada del pulso laser, empleado para poder obtener los tiempos de vuelo (time of flight, TOF) con el uso de OES. A través de las curvas de TOF se obtuvo tanto la velocidad como las distribuciones cinéticas, para estas se enunció los posibles mecanismos que las justificarían. A través de la evolución temporal de la densidad electrónica, se estimó el tiempo y la constante de recombinación de tres cuerpos. Las muestras fueron elegidas debido a que no existían estudios previos. Como muestra gaseosa se estudió el CO2. El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero responsables de la temperatura en la Tierra y el gas más abundante en la atmosfera de Marte. Hasta el momento se habían desarrollado en el seno del grupo de investigación múltiples estudios en distintos gases. Durante los estudios de aire, N2 y O2 se pudo confirmar la presencia de CO2. Como complemento de dichos estudios se realizó este trabajo, investigando el plasma de CO2 inducido. Se estudiaron los procesos termoquímicos y los cambios en el plasma. Se investigaron las emisiones espectrales de distintas especies como función de la presión de CO2 y la irradianza del láser. Se midieron los umbrales de ruptura con el objetivo de determinar el proceso responsable de la iniciación. Se discutió la dinámica de la expansión del plasma y la formación de las especies C, C+, C2+, O+ y O2+ a distintos tiempos, con respecto a la llegada del pulso láser a la muestra. Los perfiles del tiempo de vuelo de las especies C+, C2+, O+ y O2+ se utilizaron para establecer una estimación de sus correspondientes constantes de recombinación de tres cuerpos. Dentro de los estudios sobre muestras sólidas se optó por estudiar el Fluoruro de Litio (LiF) como primera muestra. El LiF es un material entre cuyos usos más habituales se podría destacar el de materiales ópticos (ventanas) o dosímetros de termoluminiscencia (comúnmente llamados por sus siglas inglesas TLD). Las razones fundamentales para su empleo fueron su disponibilidad y su alta pureza, permitiendo esta realizar un minucioso estudio sin la presencia de especies adicionales. Este trabajo recoge el estudio de un plasma inducido sobre una superficie sólida. Se estudió el plasma de LiF inducido a una presión ambiente de 4 Pa. Se encontró que el plasma estaba fuertemente ionizado. La emisión observada es debida a la relajación electrónica de las especies excitadas. La temperatura de excitación pudo ser estudiada a distintos tiempos tras la llegada del haz láser incidente mediante el análisis algunas líneas de F2+. Se estudió, también, la influencia de la irradianza en la formación del plasma. Se investigó el perfil temporal de las especies Li, Li+, F, F+, F2+, F3+ y F4+. Se obtuvo la densidad electrónica mediante el ensanchamiento Stark de especies de F+. Los perfiles del tiempo de vuelo de las especies Li+, F+, F2+ y F3+ se utilizaron para poder establecer las constantes de recombinación de tres cuerpos de cada especie. Tras adquirir una comprensión profunda de los sólidos se decidió el estudio de algunos óxidos. El óxido de calcio es uno de los productos más conocidos desde la antigüedad y con más aplicaciones. Entre estas están las industriales, construcción, protección del Medio Ambiente y agricultura. Se encontró que el plasma estaba fuertemente ionizado. La emisión observada es debida a Ca, Ca+, Ca2+, O, O+, O2+, así como algunas bandas moleculares de CaOH. Se investigó el perfil temporal de dichas especies atómico/iónicas. El ensanchamiento Stark se estudió para poder obtener la densidad electrónica. Se emplearon los TOF de Ca, Ca+ y Ca2+ para realizar la estimación de la constate de recombinación de tres cuerpos. El monóxido de silicio se emplea para proteger materiales. La emisión observada del plasma estaba originada por especies fuertemente ionizadas (Si+,O+,Si2+,O2+ y Si3+), neutras (Si y O) y algunas bandas de emisión débil del SiO (A1¿¿- X1¿+; b3¿-X1¿+). La emisión del plasma fue estudiada atendiendo a resolución en distancia desde la muestra, resolución en longitud de onda de emisión y resolución temporal. Se investigó el perfil temporal de las especies Si, Si+, Si2+, O+ y O2+.La temperatura de excitación pudo ser estudiada a distintos tiempos tras la llegada del haz incidente mediante el análisis de algunas líneas de Si2+. Se obtuvo la densidad electrónica mediante el método basado en el ensanchamiento Stark de Si+. La variación de la intensidad de emisión con la distancia fue estudiada con asistencia de los espectros 2D. 5.- Conclusiones. En este punto se presentarán las conclusiones de los trabajos presentados.