Laserablation mit ultrakurzen Laserpulsen: Grundlegende Prozesse und ihre Konsequenzen im Hinblick auf Oberflächenanalyse-Methoden

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zum besser Verständnis der Mechanismen der Laserablation zu leisten. Dazu werden Untersuchungen mit einem Ultrakurzpuls-Laser (Pulsdauer < 30 fs) an Metallen und Halbleiter unter Ultra- hoch Vakuum Bedingungen durchgeführt. Die von den Proben emittierten Teilchen werden mit einem Flugzeitmassen-spektrometer nachgewiesen.<br />Bei bestimmten Bestrahlungsbedingungen wurde in den gemessenen Fulgzeitverteilungen von Fe, Al, Ag, Au und Si zwei Peaks beobachtet, wobei sich die schnellen Teilchen von den langsamen durch ihre höhere kinetische Energie unterscheiden lassen. Durch die Analyse des Verhaltens der schnellen und langsamen Teilchen mit der Variation den Laserfluenz und der Pulsdauer wurde gezeigt, dass thermisch und nicht thermische Prozesse für diese beobachtete Doppel-struktur verantwortlich sind. Dennoch zeigt die genaue Analyse der Häufigkeitsänderung der emittierten Fe2+ und Fe+ mit der Pulsdauer, dass die schnellen Teilchen als Konsequenz von einer Coulomb-Explosion der Oberfläche emittiert sind. Durch die dynamischen Untersuchungen wurde das Verfahren der unterschiedlichen zeitlichen Auftritte von diesen thermischen und nicht thermischen Prozessen gezeigt. Am Beispiel von Gold wurden drei Ablationsmechanismen identifiziert, die Teilchenemissionen bei verschiedener Zeitskala verursachen können: Coulomb-Explosion; Rapid Plasma Formation und eine thermischer Prozess. Für Silizium wurde durch detaillierte Untersuchungen bestätigt, dass Coulomb-Explosion an der Nähe von der Ablationsschwelle eine große Rolle spielen kann.<br />Interessant sind die Ergebnisse der Probenanalyse mit einem ultrakurzen Laserpuls. Es wurde bei der durchgeführten Untersuchung mit Stahl, Goldlegierung und Silizium gezeigt, dass die Ablationsschwellen von allen Komponenten eine starke Abhängigkeit von der Pulsdauer aufweisen, was gerade im Hinblick auf die Anwendung in der Materialbearbeitung ein wichtiges Ergebnis ist.<br />

Femtosecond laser ablation was investigated with respect to its ability for elemental chemical analysis of solid samples. The results of different types of metals with two analytical methods LSIMS (Laser Secondary Ion Mass Spectroscopy) and LSNMS (Laser Secondary Neutral Mass Spectroscopy) have been compared. For transition metals, a qualitative information is obtained but for rare metals, due to large difference between the ablation thresholds of the different components, a quantitative information is not straight forward and detailed investigations of the ablation mechanisms have been performed to clarify this situation.<br />Basic aspects of ultrashort laser ablation of metals, semiconductor and hard biological tissue were studied using time-of-flight mass spectrometry of the ablated species. Two different sorts of processes are identified under specific conditions of irradiation: ultrafast - and thermal-processes (the ablation occurs after thermalisation between the atoms and the carrier gas). Information on the processes occurring during femtosecond laser ablation is obtained from measurements of the velocity distribution of neutral particles. The velocity distributions are studied as a function of the laser pulsewidth and the laser fluence. In the case of metals, different ablation processes have been identified: Ultrafast processes leading to the production of particles with high energy, and purely thermal processes. Pump-probe and pulse shaping techniques have been applied to confirm these assumptions.<br />