dc.contributor.author
Mermillod-Blondin, Alexandre
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:42:03Z
dc.date.available
2007-07-24T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1477
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5679
dc.description
Titel, Abstract and Content
Introduction
Light as a material structuring tool
Experimental aparatus and analysis tools
Direct observation of laser induced phase objects
Time-resolved imaging of the energy relaxation
Optimal control for optical structures
Waveguide writing in optimal conditions
Conclusion
Appendix
Bibliography
Acknowledgments
Publications
dc.description.abstract
In the recent years ultrafast laser technology has become a powerful tool for
three-dimensional structuring of optical materials with the purpose of adding
to the material functionalities in optics and photonics. By focusing an
ultrashort pulse of light in the volume of a transparent dielectric, free
carrier generation takes place via nonlinear ionization. A substantial part of
the laser energy is deposited into the free carrier gas, transferred into the
bulk, and a material with new optical properties emerges upon energy
relaxation. Phase contrast (PCM) and optical transmission microscopy
(OTM)techniques are employed to characterize the morphology of the laser-
induced refractive index change in the bulk of amorphous silica (a-SiO2) and
BK7. The PCM observations are correlated with a theoretical estimation of the
energy deposited in the vicinity of the focal plane based on the resolution of
the nonlinear Schr¨odinger equation. In a-SiO2, the formation of a void is
connected with the appearance of a high energy exposure upon nonlinear
propagation. A time-resolved study of the laser-generated refractive index
modifications with subpicosecond and sub-micrometer resolution is performed.
PCM and OTM images are recorded at different times after excitation, covering
a time span from approximatively 100 fs up to 10 ns. This analysis points out
the importance of the thermal mechanisms and of the subsequent
thermomechanical transformations in laser modification of bulk dielectrics. By
using an adaptive pulse shaping apparatus, we demonstrate that an optimal
command of the energy deposition into the volume of the material can be
obtained, even in presence of spherical aberrations. Furthermore, optical
structures that do not normally appear in standard ultrafast irradiation
conditions can be generated. In particular, we report the onset of large
positive refractive index regions in BK7. Finally, the flexibility offered by
temporal pulse manipulation is exploited for microprocessing purposes. We
demonstrate writing of embedded waveguiding structures at optical frequencies
in the bulk of BK7.
de
dc.description.abstract
In den letzten Jahren haben sich ultrakurze Laserpulse zu einem
Leistungsstarken Werkzeug entwickelt, das eine dreidimensionale Bearbeitung
ermöglicht und es zudem gestattet, Materialen im Bereich der Optik und
Photonik gezielt zu modifizieren und zu funktionalisieren. Bei der
Fokussierung eines ultrakurzen Laserpulses in das Volumen eines transparenten
Mediums können aufgrund der hohen Intensitäten im Material Elektronen durch
nichtlineare Wechselwirkungen in dessen Leitungsband angeregt werden. Ein
signifikanter Anteil der verfügbaren Laserpuls-Energie kann zusätzlich durch
diese bereits erzeugten quasifreien Ladungsträger absorbiert werden ( free-
carrier absorption ). Infolge des darauffolgenden Transfers der Energie des
angeregten Elektronensystems auf das Gitter des Festkörpers kann somit ein
Material mit neuen optischen Eigenschaften entstehen. Zur Visualisierung
wurden die Techniken der optischen Phasenkontrast-(PKM) und Transmissions-
Mikroskopie (OTM) eingesetzt. Dadurch können laser-induzierte permanente
Veränderungen der optischen Eigenschaften im Volumen von synthetischem
Quarzglas (a-SiO2) und dem technologisch relevanten Multikomponentenglas BK7
erfasst werden. Die PKM Ergebnisse werden mit den Resultaten eines auf der
numerischen Lösung der nichtlinearen Schrödingergleichung basierenden
theoretischen Modells korreliert, welches es erlaubt, die räumliche Verteilung
der deponierten Laserpuls-Energie in der Nähe des Fokus zu berechnen. In
a-SiO2 kann mit Hilfe dieses Modells aufgezeigt werden, dass für die Bildung
von laser-induzierten Hohlräumen ( voids ) nichtlineare Propagationseffekte
maßgebend werden. Darüber hinaus wurden im Rahmen dieser Arbeit zeitaufgelöste
Techniken der PKM und OTM entwickelt und charakterisiert, welche es gestatten,
die Dynamik derartiger laserinduzierter Änderungen der optischen Eigenschaften
(komplexer Brechungsindex) im Volumen von transparenten Materialien mit sub-μm
räumlicher und sub-ps zeitlicher Aufösung bis in den ns-Bereich zu verfolgen.
Diese Untersuchungen unterstreichen die Bedeutung von thermischen Mechanismen
und den darauffolgenden thermomechanischen Prozessen bei der Laser-
Modifikation im Volumen von Dielektrika. Durch Verwendung von adaptiven
Techniken der zeitlichen Pulsformung wird gezeigt, dass sogar in Anwesenheit
von sphärischen Aberrationen eine optimale zeitliche Sequenz der Deponierung
optischer Energie im Materialvolumen gefunden werden kann. Diese Sequenz
gestattet es, Materialveränderungen zu realisieren, die sich unter den
herkömmlichen Bestrahlungsbedingungen nicht erzeugen lassen. Zum Beispiel
können in BK7 auf diese Weise stark positive Brechzahländerungen erzeugt
werden, im Gegensatz zu den üblicherweise beobachteten negativen
Brechzahänderungen. Zusätzlich wird durch die zeitliche Pulsmanipulation die
Flexibilität und Effizienz für Mikrobearbeitungszwecke erhöht. Damit wird
erstmalig das Schreiben von eingebetteten Wellenleiterstrukturen für den
optischen Frequenzbereich in BK7 demonstriert.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
laser micro machining
dc.subject
ultrafast dynamics of solids
dc.subject
adaptive pulse shaping
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Analysis and Optimization of Ultrafast Laser-Induced Bulk Modifications in
Dielectric Materials
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Ingolf V. Hertel
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Eric Audouard
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Guillaume Petite, Prof. Dr. Javier Solis
dc.date.accepted
2007-05-30
dc.date.embargoEnd
2007-08-09
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000003121-2
dc.title.translated
Analyse und Optimierung von Bulk Modifikationen in dielektrischen Materialien
induziert durch ultrakurze Laserpulse
de
refubium.affiliation
Physik
de
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FUDISS_thesis_000000003121
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2007/501/
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FUDISS_derivate_000000009144
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dcterms.accessRights.openaire
open access