Ablation and micro/nano structuring with ultrashort laser pulses of 10 fs - 550 fs duration

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation werden einige wesentlichen Konsequenzen fuer die Dynamik der Laserablation und ihre Abhaengigkeit von den wichtigsten Laserparameters im Detail untersucht, wobei vor allem der bis dato nicht untersuchte Bereich der Laserpulsbreiten von typisch einigen zig-fsec bis in den heute mit kommerziellen Lasersystemen erreichbaren sub 10fsec Bereich von Interesse war. Der Schwellwert des Laserflusses, bei dem Ablation auftritt (wobei der Begriff Schwellwert durchaus einen Interpretationsspielraum offen laesst) ist einer der wichtigsten Parameter, da er in vielen Faellen einen Einblick in die Vielfaeltigen physikalischen Prozesse, die sich im Material abspielen, ermoeglich ist. Diese Schwellwerte sind aber meist keine "gegebene" physikalische Groeße, sondern haengen natuerlich essentiell von der Art des Materials aber auch dynamisch von der Laserpulsbreite und der Anzahl der verwendeten Laserpulse ab. In dieser Arbeit wurde eine systematische Studie der Abhaengigkeit der Ablationsschwellwerte vom Laserfluss, der Laserpulsbreite (10fs-550fs) sowie der Anzahl der Pulse fuer drei verschiedenen Materialtypen durchgefuehrt : Metall (Cu), Halbleiter (Si) and Biopolymere (Gelatin) durchgefuehrt. Diese Messungen ergeben, dass der Schwellwert generell fuer kleinere Pulszeiten abnimmt. Im speziellen konnte eine Abhaengigkeit F_th proportional (tau) {0.05} for Cu, F_th proportional (tau) {0.12} for Si and F_th proportional (tau) {0.22} fuer Gelatin ermittelt werden. Eine wirchtige Informationsquelle fuer die verschiedenen moeglichen, involvierten Prozesse ist die Messung der Masse sowie der Energie (Geschwindigkeit) der bei der Laser Materialwechselwirkung "ablierten" emittierten Teilchen (Ionen, Neutrale) sowohl als atomare Teilchen als auch als groeßere Molekuele und Cluster oder sogar ganzer "Teilchenjunks". Mittels eines Flugzeitmassenspektrometers mit integrierter Laser-Nachionisation konnten diese Groeßen bestimmt werden. Wiederum wurde die Abhaengigkeit dieser Groeßen (Massenzusammensetzung, Ionen-Neutralenanteil sowie Energie) als Funktion des Laserflusses als auch der Laserpulszeit (100-550fsec) untersucht. Insbesondere die realtiv hohen Teilchenenergien von einigen eV lassen auf Prozesse schließen, die auf eine laserverursachte ultraschnelle Ladungstrennung (Plasma) basieren. Bei der Bestrahlung von Materialoberflaechen mit ultrakurzer Laserstrahlung im 10-550fsec Bereich kann man sich dabei ausbildende Oberflaechenstrukturen beobachten, die unter gewissen Bedingungen (Laserfluss, Pulszeit und Pulsanzahl) periodischer Natur sind. Man bezeichnet diese als LIPSS (Laser-Induced-Periodic-Surface-Structures). Besonders interessant und weitgehendst noch nicht im Detail verstanden sind dabei solche Strukturen, deren Periodizitaet wesentlich kleiner als die Laserwellenlaenge (bis einige nm) sind. Deren Abhaengigkeit von den Laserparametern wurde detaillert fuer einige Materialien untersucht. Bei Biopolmeren z.B.ermoeglicht eine geschickte Wahl von Laserparametern die Ausbildung von "schwammartigen" Strukturen, die eine hohe Biokompatibilaet solcher Materialien als Zellersatz ermoeglichen. Besondere Beachtung wurde in dieser Arbeit darauf gelegt, die komplexen Vorgaenge und die oben erwaehnten Ablationsgroeßen und ihre Abhaengigkeit von den Laser parametern in Zusammenhang zu bringen und so die relevanten Prozesse fuer die einzelnen Materialberabeitungsgroeßen einem besseren Verstaendnis zuzufuehren.

In this thesis, the dependence of the ablation dynamics on the most important laser parameters and the implied consequences for micro/nano structuring was studied in detail. Of particular interest was the dependence on the pulse durations which are in the range of 10's of femtoseconds to <10 femtoseconds, now deliverable by commercially available laser systems. Ablation threshold fluence is an important parameter that can give insight into the physical processes taking place in a material. Knowing the values is also necessary to deposit a defined amount of energy for precision material processing applications. The value is dependent on the type of material, on the laser pulse duration and on the number of pulses. In this work a systematic study was done to investigate the influence of pulse duration and pulse number on the ablation thresholds for three different types of materials: metal (copper), semiconductor (silicon) and bio-polymer (gelatin) in 10 fs - 550 fs range. The results indicate that the threshold fluence reduces with decreasing the pulse duration. The dependence of the threshold fluence on the pulse duration was determined as F_th is proportional to (tau) {0.05} for copper, F_th is proportional to (tau) {0.12} for silicon and F_th is proportional to (tau) {0.22} for gelatin. The processes that take place when an ultrashort laser pulse irradiates a material are complex and is material dependent. By detecting the particles (ions, clusters, neutrals) and measuring the energies with which they are emitted, the underlying physical mechanisms can be identified. By using a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS) we detected the ions and neutrals that are emitted from metal and semiconductor targets upon an ultrashort laser pulse irradiation. We measured the dependence of ion emission on fluence and pulse duration. Extensive measurements were done to find the velocities of the neutral particles that are emitted when irradiated with pulses of 10 fs to 550 fs. The results show that neutrals with energies in excess of few eV are detected. This cannot be explained if we donot consider the fast non-thermal processes like coulomb explosion and ultrafast melting. The velocities (energies) with which neturals are emitted from different metals and semiconductors is reported. When an ultrafast laser irradiates a material, a wide variety of structures are formed. The most interesting structures are conical structures and periodic ripples. In bio-polymers, scaffold-like structures are formed. As part of this work, structures were produced on a wide variety of materials (titanium, steel, tin, nickel, copper, molybdenum, silicon etc., and on bio-polymers like gelatin and collagin etc.). A systematic study was done to characterize the laser-induced periodic surface structures (LIPSS), both the low-spatial frequency LIPSS (LSFLs) and the high-spatial frequency LIPSS (HSFLs), and their dependence on various laser parameters. Scaffold-like structures that mimic the extracellular matrix, were produced on bio-polymer films and were studied for the suitability of tissue engineering. The cell seeding experiments showed that cell mobility and adaptability were dependent on the topography. We demonstrated that the micro-pores', dimensions formed on the scaffolds can be tuned in a controllable way by altering the laser parameters.