Ultrafast dynamics of melting and ablation at large laser intensities [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ilja Mingareev

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 30
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Extrait

Ultrafast dynamics
of melting and ablation
at large laser intensities
Von der Fakultät für Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Ilja Mingareev
aus
Nowokuznetsk
Russland
Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.
Univ Dr. rer. nat. Werner Lauterborn
Tag der mündlichen Prüfung: 19. Januar 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.ddb.de abrufbar.
1. Aufl. Göttingen : Cuvillier, 2009
978-3-86727-878-2

D 82 ( D i s s . R W T H A a c h e n U n i v e r s i t y , 2 0 0 9 )






 CUVILLIER VERLAG, Göttingen 2009
Nonnenstieg 8, 37075 Göttingen
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1. Auflage, 2009
Gedruckt auf säurefreiem Papier

978-3-86727-878-2Abstract
This thesis contributes to the understanding of the ultrafast melting and ab-
lation of solids irradiated at large laser intensities. Fundamental aspects of the
ultrafast laser ablation of pure metals (Au, Al, Cu, Fe, W), such as laser-matter
interaction, plasma formation, evaporation and melt dynamics have been matter of
research. Melting and welding of technical borosilicate glass by high-repetition rate
ultrafast laser radiation have been studied as well.
Novel experimental techniques and tools have been developed and applied in or-
der to enable investigations of laser induced transient phenomena on different time
scales. Pump-probe imaging technique has been adopted featuring an extended
temporal detection limit of approx. 2 microseconds and preserving a temporal res-
olution in the sub-picosecond range. A novel quantitative optical phase microscopy
technique (TQPm) has been developed for time-resolved investigations of transient
refractive index and morphology changes.
For laser ablation of metals at large irradiation intensities, the temporal and
spatial profiles of the adopted laser radiation have been examined. The heating
effect of the radiation pedestals caused by amplified spontaneous emission has been
estimated numerically resulting in a temperature increase by several hundreds of
Kelvin, depending on material properties.
Time-resolvedshadowgraphyandquantitativemeasurementsoftheablatedvol-
ume in metals have been performed in different ambient conditions. In the adopted
delay range, the observed ablation phenomena can be classified by at least four
characteristic time regions, featuring the ejection of plasma and highly pressurized
vapor, material vapor due to nucleation effects, liquid melt jets, and resolidification,
respectively. Based on the experimental results of this work, a qualitative descrip-
tion for ablation of metals at large intensities is given, and important differences
to the at near-threshold in are specified. Particularly, phenomena
concerned with overheating of material, e.g. phase explosion and “boiling crisis”,
are assumed as the prevailing mechanisms of ablation.
Melting of technical borosilicate glass by high-repetition rate ultrafast laser ra-
diation has been studied dynamically by means of TQPm. The obtained results
exhibit transient modifications of the refractive index which reflects either the ion-
izationprocessorthematerialdensification.Animportantapplicationisestablished
in terms of micro-welding of thin glass substrates with glass or silicon. By produc-
ing melt tracks in the interface between two substrates, reliable weld seams are
generated in the micrometer regime.
Keywords: laser ablation, femtosecond, pump-probe, phase contrastKurzfassung
Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der ultraschnellen Abtrags- und
Schmelzphänomene von Festkörpern bei Anregung mit Laserstrahlung großer Intensität.
Fundamentale Aspekte des laserinduzierten Abtrags von Reinmetallen (Au, Al, Cu, Fe, W)
mit Ultrakurzpuls-Laserstrahlung wie z.B. Laser-Materie-Wechselwirkung, Plasmabildung,
Verdampfung und Schmelzdynamik wurden untersucht. Darüber hinaus wurde Schmelzen
und Schweißen von technischem Borosilikatglas mittels hochrepetierender Ultrakurzpuls-
Laserstrahlung untersucht.
Für Untersuchungen der transienten laserinduzierten Vorgänge auf unterschiedlichen
Zeitskalen wurden neuartige experimentelle Verfahren entwickelt und eingesetzt. Pump-
probe Photographie wurde für zeitaufgelöste Messungen auf einem erweiterten zeitlichen
Detektionsbereich bis ca. 2 Mikrosekunden mit Sub-Pikosekunden Auflösung realisiert.
Für Detektion von transienten Brechungsindexmodifikationen und Morphologieänderun-
gen wurde ein neuartiges, zeitaufgelöstes Verfahren zur quantitativen Phasenmikroskopie
(TQPm) entwickelt.
Die geometrischen und zeitlichen Profile der eingesetzten Laserstrahlung großer In-
tensität wurden beim Abtragen von Metallen untersucht. Aufheizung des Materials be-
dingt durch spontane verstärkte Emission mit Pulsdauer im Nanosekundenbereich führt
zu einem materialabhängigen Temperaturanstieg von mehreren hundert Kelvin und wurde
numerisch untersucht.
Zeitaufgelöste Schattenphotographie und quantitative Messungen des Abtragsvolu-
mens von Metallen wurden in unterschiedlichen Umgebungen durchgeführt. Im unter-
suchten zeitlichen Detektionsbereich kann die beobachtete Abtragsdynamik in mindestens
vier charakteristischen Zeitregimes klassifiziert werden: Ausbreitung von dichtem Mate-
rialdampf und Plasma, Verdampfung aufgrund der Nukleationseffekte, Abtrag in Form
von flüssigen Schmelzstrahlen und Erstarrung. Basierend auf experimentellen Ergebnis-
sen wurde ein qualitatives Modell für laserinduzierten Abtrag von Metallen bei großen
Strahlungsintensitäten aufgestellt, welches bedeutende Unterschiede zum Abtragen bei
schwellennahen Intensitäten aufweist. Insbesondere sind physikalische Vorgänge die im
Zusammenhang mit Materieüberhitzung stehen wie z.B. Phasenexplosion und “boiling cri-
sis”, als entscheidende Abtragsphänomene suggeriert worden.
Laserinduziertes Schmelzen von technischem Borosilikatglas mit hochrepetierender
Ultrakurzpuls-Laserstrahlung wurde mittels TQPm zeitaufgelöst untersucht. Experimen-
telle Ergebnisse weisen transiente Brechungsindexmodifikationen auf welche auf Ionisa-
tionsprozesse und Verdichtung der Materie zurückzuführen sind. Als eine wichtige Anwen-
dung dieser Prozesse wurde das Mikroschweißen von dünnen Glas- und Silizium-Platten
demonstriert. Beim Schmelzen von Material an Substrat-Grenzflächen können konsistente
Schweißnähte im Mikrometerbereich erzeugt werden.
Schlagwörter: Laserabtrag, Femtosekunde, pump-probe, PhasenkontrastContents
Introduction 3
1. State of the art and research objectives 7
1.1. Melting of matter by ultrafast laser radiation . . . . . . . . . 7
1.2. Research objectives and impacts of this thesis . . . . . . . . . 12
2. Fundamentalsoftheultrafastmeltingandablationofmatter 15
2.1. Absorption of laser radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1. Absorption mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2. Free electron model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.3. Absorption in dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.4. Carrier redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2. The two-temperature model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3. Structural changes and material removal . . . . . . . . . . . 27
2.3.1. Near-threshold ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2. Plasma formation and expansion . . . . . . . . . . . . 29
2.3.3. Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4. Normal vaporization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.5. boiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.6. Phase explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.7. Critical point phase separation . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.8. Thermal diffusion and resolidification . . . . . . . . . 36
2.4. Summary and implications for this work . . . . . . . . . . . . 37
3. Experimental tools and techniques 39
3.1. Studying ultrafast phenomena with light . . . . . . . . . . . . 39
3.2. Ultrafast laser radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1. Generation and amplification of ultrafast laser radiation 41
3.2.2. Characterization of the pulse contrast . . . . . . . . . 43
3.2.3. of the geometrical profile . . . . . . . 47
3.2.4. Temporal delaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3. Time-resolved diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.1. Shadowgraphy . .