Online process diagnostics of ultrafast laser modifications and energy transport mechanisms in the volume of dielectrics and semiconductors
Final Report Abstract
Ein pump-probe Weißlichtinterferenzmikroskop mit multiplen Filamenten in Saphir erzeugt durch ein Mikrolinsenarray und TiSa-Laserstrahlung (Probestrahlung: Lambda=800 nm, tp=130 fs, Ep=900 Nanojoule, 1kHz) ist ausgelegt und aufgebaut worden, um die Dynamik der transienten Brechungsindexänderung während der In-Volumenbearbeitung (beim Schreiben von Wellenleitern oder dem selektiven laserinduzierten Ätzen) mit hochrepetierender fs-Laserstrahlung (Pumpstrahlung) zu untersuchen. Ergebnis der Untersuchungen ist, dass dieses Messverfahren keine reproduzierbaren Ergebnisse ermöglicht, weil die Dynamik der Wärmeakkumulation auf Zeitskalen deutlich größer als der Pulsabstand der Pumpstrahlung dominiert: Die transiente Brechungsindexänderung ist im Wesentlichen eine Funktion von der Nummer des Pumppulses und nicht des zeitlichen Abstands nach dem jeweiligen Pumppuls. Somit kann mit dem Pump-Probe WIM nur die mittlere Brechungsindexänderung gemessen werden und auf die Temperatur während der langsamen (1mm/s) Bearbeitung von dem Borosilikatglas Borofloat (3000 - 6000 K) und Quarzglas (1300 K) geschlossen werden. Um dennoch zeitaufgelöst messen zu können wird auf Hochgeschwindigkeitsvideografie (Bildrate gleich der Repetitionsrate der Pumpstrahlung von ca. 750 kHz) ausgewichen. Dabei wird eine periodische Fluktuation des erwärmten Fokusvolumens mit einer Periode von ca. 50 Pulsen beobachtet. Ein einfaches Modell mit gekoppelter Wärmeleitung und Betrachtung sowohl der nichtlinearen Absorption der Laserstrahlung als auch lineare Absorption durch thermisch in Leitungsband angeregte Elektronen wird entwickelt, welches die experimentellen Ergebnisse qualitativ beschreibt. Von Puls zu Puls wird zunächst mit der Wärmeakkumulation zunehmend Energie oberhalb des Fokus absorbiert (Die aufgenommenen Videos ähneln dem Dampfausstoß einer Dampflokomotive): Parallel zu Erwärmung wird das absorbierende Volumen zur Laserstrahlquelle hin bewegt und entsprechend der Kaustik dabei lateral größer und somit die mittlere Temperatur kleiner. Im Fokus werden periodisch nachfolgende absorbierende Volumen gebildet, welche ebenfalls von Puls zu Puls der Laserstrahlung entgegen bewegt werden (bis zu vier absorbierende Bereiche zu einer Zeit). Somit ist im periodisch fluktuierenden Regime mit Wärmeakkumulation die transiente Modifikation eine Funktion von der Pulszahl und nicht des zeitlichen Abstands vom letzten Puls.
