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

Wagner, Ralph; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

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.

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