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

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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 330

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-11-11
Issue Year
2019
Authors
Rapp, Stephan
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-236-9
Abstract

Ultrashort pulsed lasers have gained widespread use in laser material processing applications, as they enable precise ablation due to their highly efficient energy deposition and low thermal damage. Recent investigations using double laser pulses for metal ablation have shown that the laser ablation efficiency depends on the temporal delay of the laser pulses. In order to understand this process the interaction between the ultrashort laser pulse and the metal must be understood. In this work, a unique pump-probe-ellipsometry setup is developed enabling the measurement of the transient complex refractive index N = n – ik in ultrashort timescales. By means of this value early material properties and the material motion can be analysed. With these experimental data and by using them to validate a corresponding hydrodynamic simulation the ablation dynamics of aluminum (Al) are investigated in detail. A rapid increase of the refraction index n and a parallel fall in the extinction coefficient k within a few picoseconds after irradiation is measured. This behaviour is caused by ultrafast heating and melting of the Al. The lattice temperature reaches the melting temperature already during the pump-pulse impact. Additionally, the material density decreases in the irradiated volume and bulges with a velocity of about 1500 m/s caused by the high pressure build-up induced by the femtosecond pulse. These single pulse results are discussed in terms of the impact for double pulse laser ablation of metals. It is found that the optical parameters change induced by the first pulse cannot solely cause the efficiency decrease in double pulse laser processing. A model also taking into account the material bulging, a decreased electronic penetration depth and a reduced stress confinement is being set up to explain the efficiency decrease.

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.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
330
Citation
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-235-2
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