Untersuchung der Dynamik der Laserablation mit UV-Femtosekundenpulsen

Es ist allgemein bekannt, dass der Einsatz von Femtosekundenlaserpulsen für die Materialbearbeitung eine deutlich erhöhte Präzision gegenüber herkömmlichen Techniken ermöglicht. Grund hierfür sind die schnellen strukturellen Änderungen in Festkörpern, die dem Materialabtrag zugrunde liegen. Hierdurch wird die Wärmebeeinflussung des die bestrahlte Region umgebenden Gebiets drastisch reduziert. Ein durchgehendes Prozessverständnis der involvierten mikroskopischen Mechanismen fehlt allerdings noch. Erst wenn alle relevanten physikalischen Zusammenhänge aufgeklärt sind, ist eine sichere Prozesssteuerung bei der hochpräzisen Materialbearbeitung möglich. Dadurch soll in Zukunft eine Strukturauflösung im Sub-100 nm-Bereich erreicht werden. Unser Ziel ist zunächst die Untersuchung der Dynamik des Ablationsprozesses anhand der Entstehung periodischer Nanostrukturen. Diese werden mit kurzen UV-Pulsen hergestellt, um die höchstmögliche Strukturauflösung sicherzustellen. Eine geeignete Wahl der Bestrahlungsgeometrie erlaubt die Betrachtung eines so kleinen Volumens, dass die Zahl der darin enthaltenen Atome eine komplette Molekulardynamiksimulation des Prozessablaufs ermöglicht. Dies geschah in Zusammenarbeit mit der Universität Kassel und der TU Kaiserslautern. Durch die Optimierung der experimentell erreichbaren Strukturauflösung und die speziell gewählte Simulationsgeometrie können erstmals Theorie und Experiment auf ein und derselben Orts- und Zeitskala verglichen werden.
In den Experimenten kommt eine Maskenabbildungs-Anordnung zum Einsatz, um Strukturen mit Perioden von 270-500 nm zu generieren. Dabei werden in der Fourier-Ebene alle bis auf die ± 1. Beugungsordnungen abgeblockt, um die Erzeugung eines sinusförmig modulierten Bestrahlungsfeldes auf der Probenoberfläche sicherzustellen. Die aus einem Ti:Sa Laser gewonnenen frequenzverdreifachten Laserpulse werden in einem Excimermodul verstärkt und stellen 1,6 ps lange Pulse bei der Wellenlänge 248 nm zur Verfügung.
Die Ergebnisse belegen eine gute Übereinstimmung zwischen dem simulierten Querschnitt des bestrahlten Bereichs und der gemessenen Topologie der strukturierten Proben, mit Blasenbildung unterhalb der Oberfläche und einem Materialaufwurf im darüber liegenden Gebiet.

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Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG)

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