Universitätsbibliothek Wien

Femtosecond laser processing of solids

Armbruster, Oskar (2016) Femtosecond laser processing of solids.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Kautek, Wolfgang
Gesperrt bis: 7 March 2019

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29520.01001.551870-8
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Abstract in English

The laser is a materials processing tool, which made manufacturing cheaper, faster, cleaner, and more accurate. It also opened up entirely new technologies and manufacturing methods that are not available by conventional techniques. The availability of rugged, cost efficient continuous wave and pulsed (ms to ps) lasers fundamentally changed many production processes. This thesis reports on fundamental studies of laser-matter interaction as well as on technological approaches to take advantage of the full potential of megahertz femtosecond chirped pulse oscillator laser systems. The spot size dependence of laser-induced modification threshold is a well-known phenomenon but lacks a solid theoretical basis. Two quantitative models that describe this behavior have been investigated and extended. The heat accumulation model resulting in partially non-physical behavior was amended but still yields unrealistic results. The defect model was extended to account for incubation. The beam area dependence was related to optically active low-density defects whereas incubation is described by optically active high-density defects. We demonstrated that this model agrees with the experimental data and explains the spots size dependence of the threshold fluences and the incubation parameter. The laser-induced periodic surface structure (LIPSS) formation behavior of silicon submerged in liquids with varying surface tension was studied. No dependence of threshold fluence, incubation parameter, or periodicity could be observed. This suggests a very robust mechanism of formation. This might be explained by the detachment of the liquid layer due to the formation of a gaseous phase near the silicon surface. Furthermore, the role of the irradiation area on the formation of LIPSS on silicon, stainless steel, and polystyrene was investigated. Surface acoustic waves as a separation mechanism of contaminants from surfaces in the vicinity of the laser spot have been proposed and surface accelerations were calculated. From calculated adhesion forces, the minimum required surface accelerations for particle detachment were deduced. This model is capable of describing the cleaning effect outside the illuminated area on polycarbonate whereas the restriction of cleaning on poly(methyl methacrylate) to the spot area. A non-invasive and low-cost focus determination system has been developed and demonstrated that allows an in situ and non-destructive focus determination. This approach does not require sub-picosecond and/or auxiliary lasers, which may reduce measuring precision. No high fluences above damage thresholds are required. The system provides stringent focusing conditions for precision applications. A laser-scanner system based on a constantly rotating mirror was devised and set up in two prototype-stages, providing overlap-free, true single pulse operation. For the selection of appropriate optics, an algorithm was developed that analyzes optical elements beyond Gaussian theory. Further experiments with varying overlap and pulse numbers are planned in order to investigate threshold and incubation behavior at high repetition rates for few-pulse interaction. A more applied use for the scanner system will be the high productivity generation of nanoparticles by femtosecond laser ablation.

Schlagwörter in Englisch

Femtosecond laser / Laser-matter-interaction / Laser materials processing

Abstract in German

Der Laser ist ein Werkzeug in der Materialbearbeitung, welcher die Herstellung günstiger, schneller, sauberer und genauer macht. Desweiteren eröffnen Laser völlig neue Technologien und Herstellungsverfahren, welche auf herkömmlichem Weg nicht realisierbar sind. Die Verfügbarkeit von robusten, kosteneffizienten Dauerstrich- und gepulsten (ms bis ps) Lasern veränderte Produktionsprozesse wesentlich. Die vorliegende Arbeit berichtet über grundlegende Untersuchungen der Laser-Material-Interaktion und technologische Ansätze, welche die Nutzung des vollen Potenzials von Megahertz-Femtosekunden-Lasersystemen erlaubt. Die Abhängigkeit der laserinduzierten Modifikationsschwelle ist ein bekanntes Phänomen, jedoch fehlt eine solide theoretische Grundlage. Zwei quantitative Modelle, welche dieses Verhalten beschreiben, wurden untersucht und erweitert. Das Wärmestaumodell, welches teilweise zu unphysikalischem Verhalten führt, wurde korrigiert. Die Resultate sind jedoch weiterhin unrealistische. Das Defektmodell wurde erweitert, um Inkubation zu berücksichtigen. Die Abhängigkeit der Schwelle vom Strahldurchmesser wurde auf optisch aktive Defekte geringer Dichte zurückgeführt, wohingegen Inkubation durch optisch aktive Defekte hoher Dichte beschrieben wird. Wir verglichen dieses Modell mit experimentellen Resultaten und konnten die Abhängigkeit der Schwelle und des Inkubationsparameters vom Strahldurchmesser dadurch erklären. Das Bildungsverhalten von Laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen auf Silizium unter Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen wurde untersucht. Es konnte keine Abhängigkeit der Schwellfluenz, des Inkubationsparameters oder der Periodizitäten beobachtet werden. Dies deutet auf einen sehr robusten Mechanismus der Oberflächenstrukturbildung hin und könnte durch das Abheben der Flüssigkeitsschicht durch die Bildung einer Gasphase an der Siliziumoberfläche erklärt werden. Weiterhin wurde die Rolle des bestrahlten Bereichs auf die Bildung von periodischen Oberflächenstrukturen auf Silizium, Edelstahl und Polystyrol untersucht. Akustische Oberflächenwellen wurden als Trennungsmechanismus von Verunreinigungen an Oberflächen in der Nähe des Laserspots vorgeschlagen und Oberflächenbeschleunigungen wurden berechnet. Basierend auf berechneten Haftkräften wurden die erforderlichen Mindestbeschleunigungen zur Ablösung der Partikel ermittelt. Dieses Modell ist in der Lage die Reinigungswirkung außerhalb des beleuchteten Bereichs von Polycarbonat und die Beschränkung der Reinigung von Polymethylmethacrylat auf die beleuchtete Fläche zu erklären. Ein nicht-invasives und kostengünstiges Fokusbestimmungssystem wurde entwickelt, welches eine zerstörungsfreie Fokusbestimmung in situ ermöglicht. Dieser Ansatz erfordert keine Subpikosekunden- und/oder Hilfslaser, welche die Messgenauigkeit verringern können. Ebenfalls sind keine hohen Fluenzen oberhalb der Zerstörschwelle erforderlich. Das System erfüllt strikte Fokussierungsbedingungen für Präzisionsanwendungen. Ein Laser-Scanner-System, basierend auf einem permanent rotierenden Spiegel wurde entwickelt und in zwei Prototyp-Stufen realisiert. Es bietet überlappungsfreien, echten Einzelpulsbetrieb. Für die Auswahl der geeigneten Optik wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher optische Elemente jenseits der Gauß'schen Theorie analysiert. Weitere Experimente mit variierendem Pulsüberlapp und unterschiedlichen Pulszahlen sind in Vorbereitung, um den Einfluss hoher Repetitionsraten auf Schwelle und Inkubationsverhalten zu untersuchen. Eine Anwendung des Scanner-Systems wird die hoch produktive Erzeugung von Nanopartikeln durch Femtosekunden-Laserabtrag sein.

Schlagwörter in Deutsch

Femtosekunden-Laser / Laser-Materie-Interkation / Laser-Materialbearbeitung

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Armbruster, Oskar
Title: Femtosecond laser processing of solids
Subtitle: fundamentals and laser technological innovations
Umfangsangabe: xvii, 151 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Publication year: 2016
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Kautek, Wolfgang
Assessor: Heitz, Johannes
2. Assessor: Spielmann, Christian
Classification: 33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
33 Physik > 33.68 Oberflächen, Dünne Schichten, Grenzflächen
33 Physik > 33.18 Optik
35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines
AC Number: AC13097513
Item ID: 41858
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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