Laser-Induzierte Periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) weisen ein breites Anwendungsspektrum auf. Nach wie vor existiert jedoch kein einheitlicher mathematischer Formalismus für diverse metallische und transient-metallische Materialien, um die Entstehungsprozesse von LIPSS zu beschreiben. Dafür gab das Max-Born-Institut Berlin den Auftrag, ein Hilfsmittel zu entwerfen, das es ermöglicht, eigene zeitaufgelöste Aussagen über den Ursprung der LIPSS zu liefern. Im Rahmen dieser Ausarbeitung wurde daher ein optischer Pump-Probe-Versuchsaufbau entwickelt und mittels der Intensitätsauto- sowie Kreuzkorrelation feinjustiert. Dieses Experiment vermag, durch Erzeugung der zweiten Harmonischen, Beugungsstrukturen bis 320 nm, bei einer Zeitauflösung von 120 fs, räumlich als auch zeitlich aufzulösen und reizt damit die technischen Möglichkeiten des vorhandenen Pulslasers aus.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Strategie
2.1 Orientierung
2.2 Theoretische Grundlagen
2.2.1 Oberflächenplasmonen
2.2.2 Anregen von Oberflächenplasmonen
2.2.2.1 Dispersionsrelation für Photonen
2.2.2.2 Dispersionsrelation für Oberflächenplasmonen
2.2.2.3 Otto- und Kretschmann-Konfiguration
2.2.2.4 Oberflächenmodifikation
2.3 Konzeptentwicklung
3 Konzeptumsetzung
3.1 Leitmodell
3.2 Zeitliches Justieren der Pulse
3.2.1 Intensitätsautokorrelation
3.2.2 Kreuzkorrelation
4 Schlussfolgerung
A Herleiten der Dispersionsrelation
B Abbildungen, groß
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konzeption und Entwicklung eines optischen Pump-and-Probe-Messplatzes, der eine zeitaufgelöste Charakterisierung der Entstehungsmechanismen von Laser-Induzierten Periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS) ermöglicht, um physikalische Aussagen über deren Ursprung zu gewinnen.
- Grundlagen der Entstehung von LIPSS und Oberflächenplasmonen
- Theoretische Herleitung der Dispersionsrelation
- Design eines kollinearen Interferometers als Pump-and-Probe-Setup
- Feinjustierung der Pulse mittels Autokorrelation und Kreuzkorrelation
Auszug aus dem Buch
2.1 Orientierung
In einer vorangegangenen Arbeit zu dieser Thematik wurde am Max-Born-Institut Berlin bereits von Herrn Christian Patzek im Rahmen einer Masterarbeit „Entwicklung und Anwendung eines Messplatzes zur räumlichen und zeitlichen Strahlformung eines Femtosekunden-Titan-Saphir-Lasers und zur Oberflächen-Materialbearbeitung“ ein entsprechender interferometrischer Doppelpuls-Aufbau realisiert. Da in dieser ersten Variante noch optische Bauteile ihre Verwendung fanden, die das Strahlprofil negativ beeinträchtigten, werden im Rahmen der vorliegenden Aufgabe entsprechende Komponenten entfernt und das gesamte Konstrukt auf ein Minimum reduziert (siehe Abb. 2.1).
Entsprechend dieser Thematik, handelt es sich bei dem verwendeten Laser um einen gepulsten Titan-Saphir-Laser mit λ = 800 ± 10 nm Wellenlänge bei einer Pulslänge τ = 120 fs und einer Wiederholrate von 1 kHz. Die mittlere Leistung PMittel des linear polarisierten Laserstrahls beträgt 2,3 W.
Um bei der späteren Anwendung des Messplatzes diverse optische Komponenten, etwa zur Regelung der Fluenz oder dem Drehen der Polarisation des jeweiligen Interferometerarms, ergänzen zu können, wird ein Konzept verfolgt, das eine Mischung aus Mach-Zehnder- und Michelsoninterferometer darstellt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Die Arbeit beleuchtet die Entstehung laser-induzierter Oberflächenstrukturen und begründet die Notwendigkeit einer zeitaufgelösten Untersuchungsmethode.
2 Strategie: In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen von Oberflächenplasmonen und das Konzept des Pump-and-Probe-Aufbaus erarbeitet.
3 Konzeptumsetzung: Dieses Kapitel beschreibt den praktischen Aufbau des Messplatzes sowie die Methoden zur zeitlichen Justierung der Laserpulse.
4 Schlussfolgerung: Die Ergebnisse bestätigen die Funktionalität des Aufbaus zur Untersuchung der Dynamik von LIPSS mit hoher zeitlicher Auflösung.
Schlüsselwörter
LIPSS, Femtosekunden-Laser, Oberflächenplasmonen, Pump-and-Probe, Autokorrelation, Kreuzkorrelation, Dispersionsrelation, Halbleiter, Materialbearbeitung, Strahlformung, Zeitauflösung, Nanostrukturen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines experimentellen Messplatzes zur Untersuchung der Entstehungsursachen von LIPSS auf verschiedenen Materialien mittels ultrakurzer Laserpulse.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit deckt die optische Theorie von Oberflächenplasmonen, die Interferenz von Laserpulsen und die praktische Realisierung eines Pump-and-Probe-Interferometers ab.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, ein Hilfsmittel zu schaffen, das zeitaufgelöste Aussagen über die initiale Entstehungsdynamik von LIPSS ermöglicht, für die es bisher keinen konsistenten mathematischen Formalismus gibt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Pump-and-Probe-Technik genutzt, bei der ein anregender "Pump-Puls" eine Materialveränderung induziert, die durch einen "Probe-Puls" zeitlich abgetastet wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Herleitung der Dispersionsrelation, das Design des Versuchsaufbaus sowie die Implementierung der Feinjustierung mittels Autokorrelation und Kreuzkorrelation.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Begriffe sind LIPSS, Pump-and-Probe, Oberflächenplasmonen, Femtosekundenlaser und Zeitauflösung.
Warum wurde ein Bariumborat-Kristall (BBO) integriert?
Der BBO-Kristall dient der Frequenzverdopplung (SHG) des Probe-Strahls, um eine höhere spektrale Auflösung zu erreichen und somit feinere Oberflächenstrukturen bis zu 320 nm auflösen zu können.
Wie wurde der zeitliche Nullpunkt der Pulse bestimmt?
Der Nullpunkt wurde durch die Detektion der maximalen Intensität der Summenfrequenz (Autokorrelation) beziehungsweise der minimalen Transmission bei der Anregung eines Elektron-Loch-Plasmas (Kreuzkorrelation) ermittelt.
- Quote paper
- Master of Engineering in Photonics Robin Wehner (Author), 2016, Entwicklung eines Messplatzes zur optischen Charakterisierung der Entstehungsmechanismen von LIPSS, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/345327
