Erzeugung von periodischen Subwellenlängen-Strukturen und Wellenleitern in Dielektrika mit Laserstrahlung ultrakurzer Pulsdauer

Wagner, Ralph; Poprawe, Reinhart

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-26159

Erzeugung von periodischen Subwellenlängen-Strukturen und Wellenleitern in Dielektrika mit Laserstrahlung ultrakurzer Pulsdauer = Generation of periodic subwavelength structures and waveguides in dielectrica with ultra-short pulsed laser radiation

Wagner, Ralph (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ralph Wagner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

Umfang172 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-06-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26159
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50782/files/Wagner_Ralph.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laser (Genormte SW) ; Femtosekundenlaser (Genormte SW) ; Pikosekundenbereich (Genormte SW) ; Rippel (Genormte SW) ; Wellenleiter (Genormte SW) ; Volumen (Genormte SW) ; Oberflächenplasmon (Genormte SW) ; Oberflächenplasmonresonanz (Genormte SW) ; Oberflächenbehandlung (Genormte SW) ; Integrierte Optik (Genormte SW) ; Quarzglas (Genormte SW) ; Monomodewellenleiter (Genormte SW) ; Dielektrizitätszahl (Genormte SW) ; Dielektrische Funktion (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Riffel (frei) ; Subwellenlängenriffel (frei) ; Volumenwellenleiter (frei) ; Oberflächenwellenleiter (frei) ; Nahfeldstreuung (frei) ; ripples (frei) ; nanoplanes (frei) ; waveguides (frei) ; surface plasmons (frei) ; femtosecondlaser (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Wellenleiter für optische Strahlung sowie Nanostrukturen sind von entscheidender Bedeutung für neue und zukünftige optische Technologien. Die Herstellung von Wellenleitern mit Femtosekundenlaserstrahlung durch Verfahren des Fokus’ wird exemplarisch an longitudinal geschriebenen Volumenwellenleitern sowie an Oberflächenwellenleitern in dünnen Schichten demonstriert. Verbindendes Element beider Wellenleitertypen sind periodische Subwellenlängenstrukturen auf der Oberfläche (Riffel, engl. ripples, auch Laser induced periodical surface structure (LIPSS)) und im Volumen (Nanoplanes). Die beim Abtragen mit einem Ultrakurzpulslaser entstehenden Subwellenlängenriffeln werden detailliert theoretisch und experimentell untersucht sowie deren Einfluß auf die Strukturgenauigkeit und deren Analogie zu den bei der Modifikation auftretenden Nanoplanes verdeutlicht. Die Volumenwellenleiter in Quarzglas (Länge 9mm, Durchmesser 1-5µm) sind bei Fluenzen kleiner ~5kJ/cm3 homogen und kontinuierlich. Homogene Monomode-Wellenleiter werden mit einer Brechungsindexänderung Delta n von bis zu 2,8*10^(-4) und einer Dämpfung von kleiner 2dB/m demonstriert. Die Herstellung von Oberflächenwellenleitern (Pulsdauer t=100fs, Wellenlänge l=800nm und 400nm, NA 0,55, Breite 100µm in 1µm dicker Er:ZBLAN-Schicht auf Magnesiumfluorid) wird demonstriert. Aufgrund von Riffeln ist die Ausrichtung der Polarisation wichtig. Die erzielte Kantenrauigkeit des Wellenleiters beträgt etwa 100-300nm bei Grabentiefen bis zu 1,8µm. Eine Dämpfung von kleiner 5dB/cm wird demonstriert, die Möglichkeit von einer Wellenleiterdämpfung von kleiner 1dB/cm gezeigt. Zur Ergänzung des etablierten Modells für klassische Riffeln werden für Subwellenlängenriffeln bei Pulsdauern kleiner wenige Nanosekunden einige Erklärungsansätze diskutiert, wie der Einfluss von longitudinalen Feldern bei starker Fokussierung, Nahfeldstreuung und dadurch entstehende lokale Feldüberhöhungen, sowie die Bedeutung von Oberflächenplasmonen. Erstmals wird dargelegt, dass die dynamische Veränderung der dielektrischen Funktion während der Bestrahlung für die Modellierung der Riffelabstände zu berücksichtigen ist. Mit dem Oberflächenplasmonen-Modell werden Bedingungen für Real- und Imaginärteil der komplexen dielektrische Funktion epsilon des bestrahlten Materials während des Laserpulses hergeleitet, unter denen eine Riffelentstehung bei Dominanz von Polaritonen möglich ist. Zum Verständnis der initialen Entstehung der Riffeln wird ein Keimmodell vorgeschlagen, welches anhand der experimentellen Ergebnisse bewertet wird. Die Analogie zwischen Subwellenlängen-Riffeln auf der Oberfläche und den Nanoplanes im Volumen wird in Bezug auf Phänomenologie und ein gemeinsames Modell zur Entstehung diskutiert. Die experimentellen Untersuchungen von Riffeln in dieser Arbeit liefern einen Bei¬trag zur phänomenologischen Beschreibung und zum Verständnis der Subwellenlängen-Riffeln. Untersuchte Parametervariationen sind: Wellenlänge l=800nm, 532nm, 400nm und 266nm, lineare und zirkulare Polarisation, Repetitionsrate zwischen f=1kHz und 1Hz, lateraler Pulsabstand, die Pulsenergie, die Oberflächenbeschaffenheit vor der Bestrahlung sowie die Pulsdauer zwischen t=80fs und 40ps. Untersuchte Materialien: Gold, Kupfer, Silizium, Lithiumniobat, Zirkonoxid, Diamant, Quarzglas, Saphir, Magnesiumfluorid, Lithiumfluorid, ZBLAN, PTFE, menschliches Haar. Die Riffeln sind senkrecht zur Polarisation der Laserstrahlung orientiert und werden beim Verfahren des Fokus kohärent fortgesetzt. Zur Herstellung von Gittern ist dies auch zweidimensional möglich. Die Riffeln entstehen überwiegend durch Abtragen und nicht durch Umlagerung von Material. Der Riffelabstand L ist vom Material und der Wellenlänge l abhängig. Bei l=800nm wurden gemessen: Metalle und Halbleiter L=500nm bis 600nm (L/l=0,63 bis 0,75), Dielektrika L=190nm bis 330nm (L/l=0,24 bis 0,41). Der Riffelabstand wird kleiner bei kleinerer Wellenlänge. Das Verhältnis L/l ist bei den Dielektrika und Silizium für l=400nm größer als bei l=800nm. Nach fünf Pulsen sind die typischen Charakteristika von Riffeln ausgebildet. Eine Oberflächenstruktur, z.B. durch einen vorangegangenen Puls oder eine Riefe etwa senkrecht zur Polarisation, begünstigt die Entstehung von Riffeln. Direkt unterhalb der Abtragsschwelle wird im Volumen von Silizium eine lateral periodische Modifikation der Dichte beobachtet, deren Periodizität vergleichbar mit dem Riffelabstand auf Silizium ist. Nanoplanes und Subwellenlängen-Riffel können vermutlich auf einen sehr ähnlichen Prozess zurückgeführt werden, was konsistent mit dem vorgeschlagenen Keim-Modell ist. Bei parallel zur Polarisation verlaufender Verfahrrichtung werden erstmals „Einzelriffeln“ beobachtet, deren nächste Nachbarn mehr als zwei Fokusdurchmesser entfernt sind. Einzelriffeln sind nicht mit den etablierten Modellen zu verstehen, können aber mit dem neuen kombinierten Subwellenlängen-Riffeln/Nanoplanes-Modell erklärt werden.

Waveguides for optical radiation and nanostructures are essential for new and future optical technologies. The generation of waveguides with femtosecond laser radiation by moving a focus is exemplarily demonstrated with longitudinaly written volume waveguides and ridge waveguides in thin films. Combining element of both waveguide types are periodic subwavelength structures on the surface (ripples, germ. Riffel, also laser induced periodical surface structures (LIPSS)) and in the volume (nanoplanes). The subwavelength ripples emerging at ablation with ultra short pulsed laser radiation are investigated in-depth in theory and experiments as well as their influence on the structure precision and their analogy with nanoplanes. The volume waveguides in fused silica (length 9mm, diameter 1-5µm) are homogeneous and continuous at fluences below ~5kJ/cm³. Homogeneous monomode waveguides with a refractive index change Delta-n up to 2.8*10^(-4) and a damping below 2dB/cm are demonstrated. The generation of surface ridge waveguides (pulse duration t=100fs, wavelenth l=800nm and 400nm, NA 0,55, width 100µm in a 1µm thick thin film of Er:ZBLAN on magnesium fluoride) are demonstrated. Due to ripples the orientation of the polarisation is essential. The achieved smoothness of the edges is 100-300nm at a grove depth up to 1.8µm. A damping below 5dB/cm is demonstrated and the possibility of a damping below 1dB/cm is indicated. To complement the established models for classical ripples for the explanation of subwavelength ripples at pulse durations below a few nanoseconds some valuations are made such as the influence of longitudinal fields at tight focusing, near field scattering including resulting field enhancements and the significance of surface plasmons. For the first time it is suggested that for the modelling of the ripple spacing the dynamic variation of the dielectric function during the irradiation has to be taken into account. From the surface plasmon model constraints are elaborated for the real and imaginary part of the complex dielectric function of the material during the irradiation, under which ripples develop at domination of polaritons. To understand the initial becoming of the ripples a seed model is suggested, which is evaluated on the basis of the experimental results. The analogy between subwavelenth ripples on the surface and nanoplanes in the volume are discussed in relation to their phenomenology and a common model to explain their development. The experimental investiagtions of the subwavelenth ripples in this work give a contribution to the phenomenological description and the comprehension of the subwavelength ripples. Investigated variations are: wavelength l=800nm, 532nm, 400nm and 266nm, linear und circular polarisation, repition rate between f=1kHz und 1Hz, lateral pulse spacing, pulse energy, the surface morphology before the irradiation and the pulse duration between t=80fs and 40ps. Investigated materials are: gold, copper, Silicon, lithium niobate, zirconium oxide, diamond, fused silica, sapphire, magnesium fluoride, lithium fluoride, ZBLAN, PTFE, human hair. The ripples are orientated perpendicular to the polarisation of the laser radiation and are coherently expanded at moving the focus. For the generation of grids this also is possible in two dimensions. The ripples predominantly evolve from ablation and not from relocation of material. The ripple spacing L depends on the material and the wavelength l. At l=800nm it was measured: dielectrics L=190 to 330nm (L/l=0.24 to 0.41), metals and semiconductors L=500 to 600nm (L/l=0.63 to 0.75). The ripple spacing gets smaller with the wavelength. The ratio L/l for l=400nm is bigger for dielectrics and silicon than at l=800nm. After five pulses the typical characteristics of ripples are accomplished. A surface structure, e.g. due to a previous pulse or a shallow scratch about perpendicular to the radiation promote the development of ripples. In silicon directly below the ablation threshold a lateral periodic modification of the density is observed. This has a periodicity comparable with the ripple spacing of silicon, indicating that Nanoplanes and subwavelenth ripples probably can be ascribed to the same principles, which is consistent with the suggested seed model. At a focus movement parallel to the polarisation “detached ripples” with their closest neighbour more than two focus diameters away are observed for the first time. Detached ripples can not be explained by the established models, but by the combined subwavelenght/nanoplanes model.

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