Zeitlich und spektral aufgelöste Ultrakurzpulsellipsometrie und Simulation transienter Aggregatszustände bei der Laserablation

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz Paul Huber
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273381511

Die direkte und induzierte (eingeschlossene) Laser-Ablation von Materialien und Dünnschichtsystemen mit Ultrakurzpulslasern ermöglicht eine hochpräzise Materialbearbeitung in vielen Bereichen der industriellen Fertigung wie z.B. beim Bohren von Einspritzdüsen, dem Schneiden von gehärteten Display-Gläsern oder der selektiven Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen und OLEDs (organische Leuchtdioden). In der Literatur finden sich zahlreiche Untersuchungen zur Optimierung der Abtragseffizienz der direkten Ablation an verschiedensten Materialien. Je nach Material sind fs- oder ps-Pulse effizienter, allerdings fehlt eine eindeutige Erklärung für dieses Verhalten. Unsere Simulationen und transienten Reflektivitätsmessungen deuten darauf hin, dass sowohl die Diffusionslänge der Elektronen und der damit verbundene Wärmeeintrag als auch die Änderung der Absorption während der Bestrahlung durch die Pulsdauer beeinflusst werden könnten. Bei der induzierten Ablation ist das bestrahlte Material durch eine transparente Schicht eingeschlossen. Der Materialabtrag erfolgt durch Ablösen einer intakten Scheibe aus dem Schichtsystem. Dies ermöglicht eine sehr präzise und energetisch sehr effiziente Laser-Bearbeitung, weit unterhalb des thermodynamischen Limits. Unsere bisherigen Untersuchungen des Ablationsmechanismus zeigen, dass auf ultrakurzer Zeitskala erzeugte Schockwellen zu einem Materialtransport oder -abtrag im Nanosekundenbereich führen. Dabei könnten die Schockwellen durch ultraschnelles Aufheizen und Ausdehnen bereits in der festen und/oder flüssigen Phase entstehen, und nicht wie bei Nanosekundenpulsen, in der Gas- oder Plasmaphase. Um unter anderem die oben genannten transienten Vorgänge bei der direkten als auch der induzierten Ablation besser verstehen zu können, fehlen detailliertere Kenntnisse über den zeitlichen und räumlichen Verlauf des Aufheizens, der Phasenübergänge und der optischen Eigenschaften (Reflektion und Absorption) des bestrahlten Materials insbesondere im niedrigen ps-Bereich. Diese sollen im Rahmen des Projektes durch Messung des komplexen Brechungsindex mit Pump-Probe-Ellipsometrie in Kombination mit Multiphysik- und Multiskalen-Modellrechnungen für verschiedene Materialien ermittelt werden. So soll ein geschlossenes Modell über die Vorgänge in der Ultrakurzeit-Domäne gefunden werden. Das entwickelte Modell soll anschließend verwendet werden, um grundsätzliche Fragestellungen bei der Applikation der direkten und der induzierten Ablation zu klären, wie beispielsweise die Frage der optimalen Laserparameter (Pulsdauer, Wellenlänge, Fluenz, Strahldurchmesser) für effizienteste Bearbeitung verschiedener Materialien, das Problem der maximalen Repetitionsraten, die Pulsdauerabhängigkeit der Ablationseffizienz oder den Einfluss des Strahldurchmessers auf die induzierte Laser-Ablation. Auf diese Weise sollen die Ergebnisse des Projektes zur Optimierung von industriell relevanten Laserprozessen verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen