Pump-Probe-Ellipsometrie zur Messung transienter optischer Materialeigenschaften bei der Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung

Abstract

Ultrakurzpulslaser haben sich als weitverbreitetes Werkzeug in der Lasermaterialbearbeitung etabliert, da sie aufgrund ihrer hocheffizienten Energiedeposition und der dabei auftretenden niedrigen thermischen Materialschädigung präzisen Materialabtrag ermöglichen. Aktuelle Untersuchungen der Metallbearbeitung mit Laserdoppelpulsen haben gezeigt, dass die Ablationseffizienz abhängig vom zeitlichen Versatz der Pulse ist. Um diesen Effekt erklären zu können, muss die Wechselwirkung zwischen ultrakurzen Laserpulsen und dem Metall verstanden werden. In dieser Arbeit wird dazu ein einzigartiges Pump-Probe-Ellipsometer entwickelt, welches die Messung des transienten komplexen Brechungsindexes N = n – ik des bestrahlten Metalls auf ultrakurzer Zeitskala ermöglicht. Anhand dieser Größe können die frühen Materialeigenschaften und die Materialbewegung analysiert werden. Durch die gewonnenen experimentellen Daten und durch ein darauf aufbauendes hydrodynamisches Simulationsmodell wird die Ablationsdynamik von Aluminium (Al) detailliert untersucht. Innerhalb der ersten Pikosekunden nach dem Auftreffen des Femtosekunden-Bearbeitungspulses wird ein schneller Anstieg des Brechungsindexes n und eine parallele Abnahme des Extinktionskoeffizienten k gemessen. Dieses Verhalten wird durch das ultraschnelle Aufheizen und Schmelzen des Al verursacht. Die Gittertemperatur erreicht die Schmelztemperatur bereits während des Auftreffens des Bearbeitungspulses. Zusätzlich nimmt die Materialdichte im bestrahlten Volumen ab und das Material wölbt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 m/s auf. Die Ursache hierfür ist der hohe Druckaufbau im Material, welcher durch den Femtosekundenpuls erzeugt wird. Diese Einzelpulsergebnisse werden mit Hinblick auf ihre Auswirkung für die Doppelpulsablation von Metallen diskutiert. Es wird herausgefunden, dass die Änderung der optischen Parameter die Effizienzabnahme bei der Doppelpulsablation nicht alleine verursacht. Ein Modell, welches zusätzlich die Materialaufwölbung, eine verminderte elektronische Eindringtiefe und einen reduzierten Druckeinschluss berücksichtigt, wird aufgestellt, um die Effizienzabnahme zu erklären.