Zerstörmechanismen in optischen Materialien bei Anregung mit ultrakurzen Laserpulsen

Abstract

Ultrakurzpuls-Laser sind inzwischen auf einem Enwicklungsstand, der sie für den kommerziellen Einsatz zur Mikrostrukturierung interessant werden läßt. An der Schwelle zur industriellen und medizinischen Verwendung ist die Bereitstellung qualifizierter Schutzeinrichtungen für das bedienende Personal beziehungsweise für die Patienten von großer Bedeutung. Im Hinblick auf den Augenschutz spielen entsprechend gefärbte Glasfilter eine dominante Rolle für den Einsatz in Laserschutzbrillen oder als Sichtfenster in Abschirmungen. In der vorliegenden Arbeit wird die Strahlungsfestigkeit dielektrischer Gläser gegenüber ultrakurzen Laserpulsen untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt auf einem als Schutzmaterial für den Ti:Saphir-Laser tauglichen Material. Im Vergleich mit dessen transparentem Basismaterial werden die durch die Dotierung des Glases hervorgerufenen Veränderungen im Zerstörverhalten dargestellt. Anhand von zusätzlichen Untersuchungen an dielektrischen Einzelschichten wird der Einfluß der Bandlücke geprüft. Bei der Bestrahlung unterhalb der Ablationsschwelle konnte in den transparenten Gläsern die Bildung von Farbzentren beobachtet werden. Deren Rekombination erfolgt bereits bei Raumtemperatur, ist dabei aber sehr langwierig. Im mit Kupferionen dotierten Filterglas konnten solche Strukturen hingegen nicht nachgewiesen werden. Für die laserinduzierte Ablation mit 30-fs-Laserpulsen erweist sich sowohl in transparenten als auch in absorbierenden Gläsern das Zusammenwirken von Mehrphotonen- und Avalanche-Ionisation als verantwortlich. Dabei ist die lineare Absorption vernachlässigbar. Der nichtlineare Charakter wird durch die bei den Dünnschichtproben gemessene ansteigende Zerstörschwelle für größere Bandlücken-Energien unterstrichen. Bei Verlängerung der Pulsdauer nimmt der Einfluß der nichtlinearen Absorption auf die Ablation der Glasmaterialien erwartungsgemäß ab. Aus den Pulsdauer-Abhängigkeiten der Schwellfluenzen konnten die jeweiligen Materialkoeffizienten für den Mehrphotonen- und den Avalanche-Prozeß ermittelt werden. In allen untersuchten Materialien sind Inkubationsprozesse zu beobachten, die eine Reduzierung der Zer-stör-schwel-le bei höheren Pulszahlen verursachen. Die dabei ablaufenden Vorgänge sind nach einer Millisekunde abgeschlossen und bleiben länger als eine Sekunde aktiv. Darüber hinaus wird erstmalig bei der Verwendung ultrakurzer Laserpulse eine Abhängigkeit der Ablationsschwelle von der Strahlgröße festgestellt. Diese läßt sich mit der Wahrscheinlichkeit des Auftretens zufällig auf der Oberfläche vorhandener Absorptionszentren im Strahlquerschnitt beschreiben, deren physikalischer Charakter in der vorliegenden Arbeit noch nicht geklärt werden konnte. Für die Strukturierung von Dielektrika mit Femtosekunden-Lasern zeigte sich, daß ein bestimmtes Aspektverhältnis der Kratertiefe zu dessen Radius nicht überschritten werden kann. Die Ablationsrate bis zum Erreichen der maximalen Lochtiefe kann durch die Spülung der Oberfläche erhöht werden. Die hier vorgestellten Messungen zeigen, daß der untersuchte Farbglasfilter hinsichtlich der Zerstörfestigkeit eine taugliche Basis für Laserschutzeinrichtungen für Ultrakurzpuls-Laser ist.

Ultra-short pulsed lasers have reached a technical stage of evolution that makes them lucrative for commercial applications. At the edge to industrial and medical usage the availability of qualified protection systems for operators and patients is of great importance. With respect to eye safety colored glass filters play a dominant role for usage in goggles or observation windows in screens. In the present work the irradiation resistance of dielectric glasses to ultra-short laser pulses is investigated. The main topic is a material which is suitable as laser equipment for Ti:Sapphire laser. In comparison with its transparent basis material the changes caused by the doping of the glass are discussed. Additional investigations on various dielectric coatings give insight into the influence of the band gap. Irradiation below the ablation threshold has been found to cause the formation color centers in the transparent glasses. The centers recombine at room temperature but are long term resistant. In the copper ion doped filter glass no such structures could be recognized. The dominating ablation mechanisms for 30 fs laser pulses in transparent as well as in absorbing glasses were multiphoton and avalanche ionization in co-operation. The influence of linear absorption is neglectable. The non-linear character is supported by the increase of the ablation threshold for larger band gap energies in the coating samples. As expected, an increase of the laser pulse duration is connected to a reduction of the influence of non-linear absorption phenomena on the ablation of the glass materials. From the dependence of the threshold fluences from the pulse duration the corresponding material coefficients for multiphoton and avalanche processes could be determined. All investigated materials show significant incubation which causes a reduction of the damage threshold for higher pulse numbers. Thereby acting processes have been found to occur within one millisecond and act longer than one second. Additionally, for the first time of my knowledge when applying ultrashort laser pulses, a dependence of the ablation threshold from the beam size is observed. This phenomenon can be correlated to the probability of hitting absorption centers on the surface with the laser beam. The physical character of this absorption centers could not be clarified in this work. For structuring applications of dielectric materials using femtosecond lasers a certain aspect ratio of crater depth and radius could not be exceeded. The ablation rate could be increased by flushing the surface with a constant gas jet. The present measurements finally confirm the applicability of the investigated colored glass filter for laser safety equipment with respect to its irradiation resistance to ultra- short pulsed lasers.