Identification of ultrafast electronic and thermal processes during femtosecond laser ablation by means of surface topography investigations

Abstract

In this dissertation selected important aspects of interaction of ultra-short laser radiation with solids are discussed. It addresses and enhances the understanding of fundamental physical processes involved in the interaction mechanism. The main goal of the work is to obtain a better understanding of basic mechanisms of localized laser energy deposition in materials (insulators, semiconductors and metals) on the fs time scale and to explore their role in surface modification. Phenomena of nanohillock like defect-formation, explosions, bumps, nanopores and nanogratings like features on surfaces like, CaF2, CR-39 (insulators), Si (semiconductors) and Al (metals), by ultra short laser irradiation have been investigated by means of Atomic Force Microscopy (AFM). The surfaces were exposed to Ti: sapphire 25-fs laser pulses with a central wavelength at 800 nm. Samples were irradiated at different laser fluences (0.06 Jcm-2 to 3.6 Jcm-2) in air as well as under UHV condition. Detailed surface topographical features of bombarded targets were characterized by atomic force microscopy in contact mode in air at room temperature. By combining new studies of the surface topography and the emission characteristics of particles during interaction of ultrashort-laser radiation with surfaces in particular during laser ablation, three different types of general processes (sub 100 fs electronic processes like Coulomb explosion (CE) or field ion emission by Surface Optical Rectification (SOR), processes related to electronic plasma (FEP) formation (typically a few hundred fs time scale) and thermal ablation (TA)) could be identified to explain ultrashort- laser ablation of matter at laser intensities around the ablation threshold.<br />In particular, the identification of the unique appearance of individual, localized nanohillocks, typically a few nm in height and with a diameter below typically 50 nm, can be regarded as characteristic for a strong localized potential energy deposition to the electronic system resulting in CE or SOR. These nanostructures due to localization of laser energy deposition in small areas provide a possible pathway from dense electronic excitation to atomic motion causing permanent structural modification. For moderate fluence regime surface elevations in the range of 20-200 nm in height and 100 nm-3µm in diameter are observed. These larger elevations are called bumps and are attributed to ultrafast melting (plasma formation), buildup of thermal stresses, diffusion, transformation and aggregation of primary defects. For high fluence regime where thermal processes start, craters and island -like structures have been observed which are due to surface melting and resolidification.<br />Surface topographical features of irradiated materials are well correlated with the structural changes explored by Raman spectroscopy.<br />Ultrashort lasers have proven to be a powerful tool for many advanced technological applications e.g. two-photon material processing by evoking nonlinear processes in transparent materials. In this regards a practical example is presented in which nonlinear absorption properties are correlated with the surface and structural changes of an ultra short laser irradiated CR-39. Apart from features mentioned above, self-organized subwavelength ripples and classical ripples on Al, CaF2 and Si induced by laser pulses have been investigated by AFM under different experimental conditions.<br />These features are attributed to the excitation of surface plasmon polaritons to induce a periodic enhancement of local fields in the surface layers. AFM investigations of the surface topography together with the characteristics of ejected particles observed with laser analytical methods yield coherent information and have widened the understanding of the processes involved. This is definitely a first step and has a large potential for further investigations: influence of the pulse-shape on the topography, identifying other possible processes by pump-probe shadowgraphy etc. This represents a challenge for the next years.<br />

Thema dieser Dissertation ist die Wechselwirkung ultrakurzer Laserstrahlung mit Festkörpern, wobei hier natürlich nur einige wichtige Aspekte behandelt werden können. Der Schwerpunkt der hier präsentierten Ergebnisse liegt auf dem Studium dabei auftretender fundamentaler Prozesse und soll zu einem bessern Verständnis dieser führen. Es zeigt sich dabei, dass es besonders wichtig ist wie die Energie der Laserstrahlung deponiert wird, und zwar vor allem auf welcher Zeitskala.<br />Das hier hauptsächlich verwendetet "Werkzeug" dies zu erreichen ist hochauflösende Messung der dabei entstehenden topographischen Änderungen der Oberfläche.<br />Mittels "Atom Force Microscopy" (Atomkraftmikroskopie, AFM) wurde dazu das Auftreten von verschiedenen Strukturen wie Nanohillocks (Nanohügel), Bumps, Nanopores oder Nanogitter auf Nichtleitern (CaF2, CR-39), Halbleitern (Si) sowie Metallen (Al) als Funktion verschiedener Parameter studiert. Dazu wurden die Oberflächen mit der Strahlung von einem Ti:Saphir Laser (Pulse mit 25fs und 800nm zentraler Wellenlänge) bestrahlt. Die Fluenz wurde dabei zwischen 0.06 Jcm-2 und 3.6 Jcm-2 variiert. Außerdem wurden entsprechende Ergebnisse für Bestrahlung in Luft bzw. im Ultrahochvakuum miteinander verglichen. Die entstehenden Oberflächenstrukturen wurden mit einem AFM im Kontaktmodus an Luft bei Raumtemperatur vermessen. Diese neuen Ergebnisse wurden mit früheren Messungen, wo wir die Charakteristika der Teilchenemission bei der Laserablation (Massenzusammensetzung und Teilchenenergie) untersucht haben, korreliert. So konnten drei charakteristische Typen von Prozessen identifiziert werden: 1.) Sub 100fs elektronische Prozesse wie Coulombexplosion (CE) oder Feldionenemission durch Optische Gleichrichtung an Oberflächen (SOR); 2.) Prozesse ausgelöst durch die Ausbildung eines elektronischen Plasmas, typischerweise auf einer Zeitskala von einigen 100fs. 3.) Thermische Prozesse (TA), Zeitskala typisch einige ps. Besonders interessant sind die unter geeigneten Bedingungen beobachteten sogenannten Naohillocks, die einen Durchmesser <50nm und eine Höhe von einigen nm aufweisen. Diese charakteristischen Oberflächenstrukturen sind ein starker Hinweis auf eine extrem lokalisierte Energieübertragung an das elektronische System und das Auftreten von CE bzw. SOR Prozessen.<br />Die Lokalisierung ist die Voraussetzung für die effiziente Möglichkeit elektronische Energie in kinetische Energie der Atome umzuwandeln. Bei einer größeren Laserfluenz werden thermische Prozesse immer wichtiger.<br />Diese wiederum resultieren in Strukturen geringer Lokalisierung mit weitreichenden (20-200nm) Oberflächenstrukturen mit Höhen im Bereich von 100nm-3µm. Diese Hügel und Täler resultieren aus thermischen Verspannungen sowie aus der Agglomeration von Fehlstellen.<br />Ein weiterer wichtiger Schritt für die Identifikation der Prozesse stellt die Korrelation der Oberflächenstrukturen mit chemisch-strukturellen Veränderungen dar. Dazu wurde Ramanspektroskopie verwendet.<br />Ein wichtiger Fall für die Anwendung ultrakurzer Laserstrahlung ist z.B.<br />die Zweiphotinenmodifikation von Materialien, die meist auf der Zweiphotonenabsorption in transparenten Materialien beruht. Im Hinblick darauf wurden im Rahmen dieser Dissertation Untersuchungen an CR-39 durchgeführt.<br />Neben den oben erwähnten für spezielle Prozesse charakteristischen Strukturen können - vor allem bei Bestrahlung mit einer Vielzahl von Pulsen - verschiedenartigste sogenannte selbstorganisierte (self-oragnized) periodische Strukturen beobachtet werden. Im Rahmen dieser Dissertation werden einige teilweise neuartige solcher Strukturen beschrieben. Insbesondere ist die Abhängigkeit ihrer Periodizität von der Laserintensität festgestellt worden.<br />Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diese Untersuchungen ein vertieftes Verständnis der Prozesse bei der Laser-Festkörperwechselwirkung mit ultrakurzer Laserstrahlung gebracht haben. Als wichtige zukünftige Untersuchungen seien vor allem die Abhängigkeit der Strukturen von der Laserpulsbreite bzw. allgemein der Laserpulsform erwähnt.<br />