Orientador: Carlos Alberto da Silva Lima / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-01T15:07:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JimenezPerez_JoseLuis_D.pdf: 3571713 bytes, checksum: 31c9cd7012b024e4dc762730dfa6d274 (MD5) Previous issue date: 1995 / Resumo: Esta Tese teve por objeto o estudo detalhado do processo de endereçamento térmico controlado e seletivo, permanente ou evanescente, da superfície de um material termo-sensível, com um feixe de laser no infravermelho (IV). Nossa abordagem buscou examinar, estudar e explorar a fundo este tipo particular de processamento de materiais com laser, através da concepção, projeto, construção e teste de um dispositivo que designamos como "transcriptor térmico à laser de imagens digitalizadas" ou, abreviadamente, "transcriptor térmico" .Trata-se de uma abordagem original, e diferenciada, do processo de escritura térmica com lasers que transcende tanto a marcação a laser (caracterizada pela remoção ablativa ou explosiva de material para produzir uma inscrição na superfície), quanto a pirografia à laser (onde um feixe móvel de laser c.w. deixa uma trilha de cauterização contínua por onde passa na superfície do material). Ao contrário destes processos radicais, nossa nova abordagem procura explorar criteriosamente todos os aspectos relevantes físicos, químicos e físico-químicos dos mecanismos responsáveis pela forma particular, e diferenciada, com que as estruturas locais, que caracterizam a resposta térmica específica de cada material, se comportam quando controladamente expostas a um feixe de radiação laser no IV. Realizamos estudos e ensaios com diferentes tipos de materiais entre eles papel, papelão, plásticos termo-sensíveis, filmes metálicos sobre substratos de vidro e cristais líquidos colestéricos sobre suporte termo-absorvedor, entre outros. Em cada caso especifico, a fim de poder obter um controle adequado do processo ativo na transcrição térmica, realizamos ensaios cuidadosos que nos permitiram conhecer melhor o papel dos parâmetros de controle do mecanismo operativo correspondente. Foi assim, por exemplo, com (a)- a carbonização controlada num emaranhado de fibras poliméricas celulósicas, i.e. sem deflagrar a .formação de uma chama propagante, o que descreve a situação que enfrentamos para otimizar o processo no caso do papel e do papelão; (b)- o controle da tonalidade (intensidade) de marron nos pontos atingidos pelo laser no caso dos plásticos termo-sensíveis; (c)- o controle da taxa de crescimento de camadas multicoloridas de óxidos metálicos em trilhas produzidas à laser, com origem em efeitos termocrômicos presentes no processo de oxidação ao ar livre de filmes finos metálicos expostos a um feixe laser no IV. Quanto ao transcriptor térmico a laser em si, nosso protótipo final optimizado consistiu de: (a) um módulo digitalizador da imagem a ser transcripta; (b) uma interface decodificadora digital¿analógica do tipo leia e converta; (c) uma mesa micro-posicionadora XY com controle computadorizado e acionamento por motores de passo e a correspondente interface de controle; (d) um sistema laser de IV com a intensidade e a pulsação sob controle computadorizado; (I) um microcomputador tipo PC com um software de controle adequado. O conjunto completo, incluindo um mini-laser de CO2 guia de onda, foi construído como parte desta Tese. Após uma longa bateria de ensaios e testes de desempenho chegamos finalmente á obtenção dos valores óptimos dos diversos parâmetros de controle, em cada caso, para a versão em "preto-e-branco" da transcrição térmica de imagens digitalizadas. O resultado global é que, quando devidamente optimizadas, as imagens produzidas com nosso esquema de endereçamento térmico revelaram níveis de contraste e resolução tão bons quanto aqueles que se consegue com uma impressora matricial de boa qualidade. Apresentamos e discutimos, também, os resultados de um estudo de validade de uma versão poli cromática do transcriptor térmico, aqui descrito. Nesse contexto, apresentamos, em particular os resultados dos estudos experimentais da termo-oxidação induzi da à laser de superfícies metálicas expostas ao ar livre. Eles são interpretados à luz de um complexo modelo que leva em conta não apenas a dependência térmica de todos os parâmetros ópticos e térmicos intervenientes no processo mas, também, os efeitos que advém do processo concomitante de crescimento da camada. de óxido. O conjunto de equações acopladas, matematicamente não-lineares, descrevendo a mútua interferência entre a variação local do perfil de temperaturas e a variação temporal da espessura da camada de óxido, foi resolvido numericamente, e as espessuras máximas preditas para condições de irradiação dadas mostraram-se em excelente concordância com os valores medidos experimentalmente por microperfilometria de trilhas de óxido produzidas movimentando-se sob o feixe pulsado de um laser de Nd:YAG., com velocidade constante, um filme de titânio sobre vidro. Finalmente, tecemos comentários sobre alguns problemas em aberto, e sobre as perspectivas de desenvolvimento de alguns temas que constituem subprodutos daqueles abordadas nos trabalhos de pesquisa relatados nesta Tese / Abstract: This Thesis has been devoted to examine, study and fully explore a particular kind of laser material processing, namely controlled selective, permanent or evanescent, IR laser activated thermal sensitization of materials surfaces. We have accordingly conceived, designed, constructed and tested a device that we have termed "digital image thermal transcriptor using an IR laser beam" or "thermal transcriptor" for short. This is a different and novel approach to thermal writing with lasers, as compared for instance to either laser marking (where an ablative material removalleaves a surface inscription) or laser pyrography (where a moving c. w .laser beam leaves a continuous track of fully ignited matter on the material surface). Quite to the contrary, our new approach explores in depth and breadth all of the pertinent physical, chemical and physic-chemical aspects of the mechanism(s) underlying the specific response of the local structures, that characterize the particular thermal-sensitive material surface, to a controlled IR laser beam exposure. We have experimented with several classes of materials including common paper, cardboard paper, thermal-sensitive plastic, glass supported thin metallic foils and cholesteric liquid crystal spread onto carbon-black-like backing, among others. In each case, in order to achieve full control of the transcription process, we have performed careful essays to better understand the role of the controlling parameters of the operative mechanism, such as was the case with: (a) the controlled carbonation in criss-crossed celulose polymeric fiber bundles, i.e. without deflagrating a propagating carbonization flame, a situation that is to be considered when paper and cardboard are the target material; (b) the controlled browning of sensitized spots in the case of thermoplastics or yet ( c) the thermochromic effects associated with the accreation of multicolored oxide layers tracks occurring when a moving sample of glass supported metallic foil is exposed to an IR laser beam, in air. As to the thermal transcriptor setup itself, we ended up with an optimal design comprising a digital imager module, a read-and-convert digital -to -analog decodifier interface, a two-axis step-motorized computer controlled micropositioning table and its control interface, a laser setup with computer controlled pulser and beam intensity and, of course, a PC microcomputer, provided with an adequate control software. The complete system, including a CO2 waveguides minilaser, was built as part of the Thesis. A long series of tests and performance essays finally provided us with an optimal parameter set for each case of interest, and for" black-and-white" thermal transcription of digitalized images. The overall result is that, when duly optimized, our thermal addressing device produces images that exhibit both a contrast and a resolution that compares quite favorably to those obtained in a good quality matrix printer. We also present and discuss the results of a thorough study as to the viability of a polychromatic version of the above described thermal transcriptor. In this context, the results of the experiments with laser induced thermoxidation of supported metallic foils in air are reported. Their interpretation is made on the basis of a complex model that takes into full account the temperature dependence of all the intervening optical and thermal parameters, as well as the effects upon the process brought up by the growth of the oxide layer itself. The mathematically non-linear coupled equations relating the local temperature distribution and the time evolution of the oxide layer thickness were solved numerically. The maximum thickness predicted by the model for given irradiation conditons, were found to be in excellent agreement with the experimental results from microperfilometric measurements carried on laser produced oxide tracks resulting from letting a moving sample of glass supported Ti foil to be exposed to a pulsed beam from a Nd:YAG laser. Finally, we comment on some open problems and some prospective developments intended to be carried on, in the near future, as by-products of the research work presented in this Thesis / Doutorado / Física / Doutor em Ciências