Self-organized surface patterns originating from femtosecond laser-induced instability

Selbstorganisierte Bildung von periodischen Oberflächenstrukturen nach Femtosekundenlaser-Induzierter Instabilität

  • The phenomenon of laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ripples, generated by near-infrared radiation with the central wavelength around 800 nanometer (λlaser ≈ 800 nm) and pulse duration about of 100 femtosecond (τpulse ≈ 100 fs) on solid targets is considered in this dissertation. The main aim of the work is a better understanding of the fundamental processes of laser-matter interaction resulting in pattern formation by femtosecond (fs) laser ablation. The problem is of great interest both in fundamental and applied science. The knowledge of the underlying physical mechanisms will provide the opportunity to control surface nanostructuring, which has a big application potential in many modern technologies. Femtosecond LIPSS observed at the bottom of ablation crater reveal a large variety of features including nanostructures with periods below 100 nm. Moreover, the ripple size depends mainly on the irradiation dose/absorbed laser energy and is rather insensitive to the variation of laser wavelength or incidence angle.The phenomenon of laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ripples, generated by near-infrared radiation with the central wavelength around 800 nanometer (λlaser ≈ 800 nm) and pulse duration about of 100 femtosecond (τpulse ≈ 100 fs) on solid targets is considered in this dissertation. The main aim of the work is a better understanding of the fundamental processes of laser-matter interaction resulting in pattern formation by femtosecond (fs) laser ablation. The problem is of great interest both in fundamental and applied science. The knowledge of the underlying physical mechanisms will provide the opportunity to control surface nanostructuring, which has a big application potential in many modern technologies. Femtosecond LIPSS observed at the bottom of ablation crater reveal a large variety of features including nanostructures with periods below 100 nm. Moreover, the ripple size depends mainly on the irradiation dose/absorbed laser energy and is rather insensitive to the variation of laser wavelength or incidence angle. The orientation of the structures is dictated by laser polarization. All these experimental observations and an astounding similarity of the structures to other patterns originating from instabilities led to the idea to attribute the femtosecond laser nanostructuring to a self-organized pattern formation from laser-induced surface instability. In this dissertation, surface pattern formation upon femtosecond laser ablation is considered in the framework of an adopted surface erosion model, based on the description of spontaneous pattern formation on surfaces bombarded with high-energy ions. We exploit the similarity to ion-beam sputtering and extend a corresponding model for laser ablation by including laser polarization. It has been found that an asymmetry in the deposition and dissipation of the incident laser energy, related to the laser polarization, results in a corresponding dependence of coefficients in a nonlinear equation of the Kuramoto-Sivashinsky type. The surface morphologies calculated in the framework of this model for different configurations of the incident laser electric field show an excellent qualitative agreement with structures observed in ultra-short pulse ablation experiments. In this work, properties of the periodic surface structures induced upon femtosecond laser ablation are studied in detail, focusing on a systematic investigation of the main control parameters regulating the pattern formation process. The results support the non-linear self-organization mechanism of pattern formation from laser-induced surface instability.show moreshow less
  • Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Phänomen der Laser-Induzierten Periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, Ripples), erzeugt bei der Ablation durch ultrakurze Lichtimpulsen mit ≈100 fs Dauer (τPuls ≈ 100 fs) und einer Wellenlänge von 800 nm (λLaser ≈ 800 nm) an unterschiedlichen Targetmaterialien. Das wesentliche Ziel der Arbeit bestand darin, die fundamentale Physik der Oberflächenstrukturierung bei der Femtosekundenlaserablation besser zu verstehen. Das Problem ist von großer Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft. Die Kenntnis der physikalischen Mechanismen hilft, die Nanostrukturierung von Oberflächen zu kontrollieren, die ein großes Anwendungspotenzial in vielen modernen Technologien bietet. Femtosekunden LIPSS am Boden des Ablationskraters präsentieren eine große Vielfalt von Strukturen bis hin zu einer Periodizität kleiner als 100 nm. Die Größe der Strukturen hängt hauptsächlich von der Bestrahlungsdosis/absorbierten Laserenergie ab, und ist nicht von der WellenlängeDiese Dissertation beschäftigt sich mit dem Phänomen der Laser-Induzierten Periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, Ripples), erzeugt bei der Ablation durch ultrakurze Lichtimpulsen mit ≈100 fs Dauer (τPuls ≈ 100 fs) und einer Wellenlänge von 800 nm (λLaser ≈ 800 nm) an unterschiedlichen Targetmaterialien. Das wesentliche Ziel der Arbeit bestand darin, die fundamentale Physik der Oberflächenstrukturierung bei der Femtosekundenlaserablation besser zu verstehen. Das Problem ist von großer Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft. Die Kenntnis der physikalischen Mechanismen hilft, die Nanostrukturierung von Oberflächen zu kontrollieren, die ein großes Anwendungspotenzial in vielen modernen Technologien bietet. Femtosekunden LIPSS am Boden des Ablationskraters präsentieren eine große Vielfalt von Strukturen bis hin zu einer Periodizität kleiner als 100 nm. Die Größe der Strukturen hängt hauptsächlich von der Bestrahlungsdosis/absorbierten Laserenergie ab, und ist nicht von der Wellenlänge oder dem Einfallswinkel des Laserstrahls beeinflusst. Die Orientierung der Ripples ist mit der Polarisation der Laserpulse verknüpft. Alle diese experimentelle Beobachtungen und eine erstaunliche Ähnlichkeit der Strukturen zu anderen Mustern, die aus Instabilitäten entstehen, haben zur Idee geführt, die Entwicklung der Nanostrukturen im Rahmen einer Oberflächenselbstorganisation aus einer laserinduzierten Instabilität zu erklären. In der Arbeit wird die Entwicklung der periodischen Oberflächenstrukturen bei Femtosekundenlaserablation im Rahmen eines adoptierten Oberflächenerosionsmodels betrachtet. Unser theoretischer Ansatz basiert auf dem Modell für die Entwicklung von selbstorganisierten Oberflächenstrukturen beim hochenergetischen Ionenstrahl-Sputtern. Unsere Erweiterung des Modells berücksichtigt den Einfluss polarisierter Laserstrahlung. Es wird gezeigt, dass die Laserpolarisation eine Asymmetrie in der Verteilung der absorbierten Laserenergie verursachen kann, die auf eine entsprechende Abhängigkeit von Koeffizienten in einer Kuramoto-Sivashinsky Gleichung hinausläuft. Die numerisch berechneten Oberflächenmorphologien zeigen eine ausgezeichnete qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment. Das experimentelle Teil der Dissertation präsentiert eine detaillierte Messung der Eigenschaften der laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Parameter die kontrollieren die Bildung/Entwicklung der Nanostrukturen. Die zahlreiche Daten aus Ablations-Experimenten unterstützen den nichtlinearen Charakter der Selbstorganisation bei der laser-induzierten Strukturbildung.show moreshow less

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Metadaten
Author: Olga Varlamova
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29530
ISBN:978-3-95404-604-1
Referee / Advisor:Prof.Dr. Jürgen Reif
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/11/06
Release Date:2014/01/28
Tag:Femtosekundenlaserablation; Laser-induzierte Oberflächenstrukturierung; Ripples; Selbstorganisierte Strukturbildung
Femtosecond laser ablation; Laser-induced surface patterning; Ripples; Selforganized pattern formation
GND Keyword:Laserablation; Mikromechanik; Oberflächenstruktur; Ultrakurzzeitlaser
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften
Other Notes:Disssertation ist erschienen bei Cuvillier Verlag
Other Notes:Auszeichnung „Beste Dissertation der BTU Cottbus–Senftenberg“ 2014