Title (eng)
Spot size dependence of laser-induced modification thresholds
Parallel title (deu)
Spotgrößenabhängigkeit von laserinduzierten Modifikationsschwellen
Author
Aida Naghilouye Hidaji
Advisor
Wolfgang Kautek
Assessor
Wolfgang Kautek
Abstract (deu)
Modifikationsschwellen sind Kernparameter in der Laser-Materialbearbeitung sowie für optische Komponenten und Telekommunikationssysteme. Die Schwellenfluenz für Modifikation, d.~h. die Fluenz, bei welcher Materialmodifikation einsetzt, wird als eine Materialkonstante für einen gegebenen Satz experimenteller Parameter wie Pulsdauer, Wellenlänge, Pulszahl und Wiederholungsrate angesehen. Die Schwellenfluenz für Modifikation zeigt jedoch eine Abhängigkeit von der Fläche, welche der Laserpuls bestrahlt; sowohl für Femtosekunden-, als auch für Nanosekunden-Laserpulse.
In der Literatur sind zwei Modelle bekannt, welche die Abhängigkeit der Schwellenfluenz von der Größe des bestrahlten Bereichs beschreiben. Diese Modelle bauen auf Punktdefekten bzw. Wärmeakkumulation auf. Das Punktdefektmodell geht davon aus, dass ein Material zufällig verteilte, punktgroße Defekte aufweist, welche die Modifikationsschwelle senken. Die Wahrscheinlichkeit einen Defekt im beleuchteten Bereich zu finden ist offensichtlich von der Größe des beleuchteten Bereichs abhängig. Das Wärmeakkumulationsmodell nimmt an, dass jedes Material eine charakteristische kritische Temperatur aufweist, ab welcher das Material modifiziert wird. Wenn ein Material mit Laserpulsen beleuchtet wird, wird Energie zuerst an das elektronische System und in weiterer Folge an das Gitter übertragen. Dies bewirkt, dass das Material erhitzt wird und danach wieder abkühlt. Bei höheren Wiederholungsraten des Lasers kann das Material nicht vollständig zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen abkühlen und Wärme sammelt sich an. Sobald die Temperatur die kritische Temperatur erreicht, setzt Materialmodifikation ein.
In der vorliegenden Studie wird die Abhängigkeit des Schwellenfluenz von der bestrahlten Fläche von Silicium mit Femtosekundenlaserpulsen für verschiedene Größen der bestrahlten Flächen und Defektdichten untersucht, um das Punktdefektmodell zu validieren. Der Ansatz ist, die durch Anpassen des Modells an experimentelle Daten gewonnenen Parameter mit den Defektdichten, die den Proben zugefügt wurden, zu vergleichen. Das Wärmeakkumulationsmodell wird nicht durch Anpassen des Modells an die experimentellen Daten untersucht, sondern für unterschiedliche Größen des beleuchteten Bereichs ausgewertet um festzustellen, ob es vernünftige Werte für die kritische Temperatur liefert.
Obwohl beide Modelle in der Lage sind, die experimentellen Ergebnisse in bestimmten Fällen zu beschreiben, zeigen die erhaltenen Parameter Unzulänglichkeiten und legen die Notwendigkeit eines stark überarbeiteten theoretischen Ansatzes nahe.
Abstract (eng)
Modification thresholds are core parameters in laser materials processing as well as for optical components and telecommunication systems. The modification threshold fluence, i.~e. the fluence at which material modification sets in, was found to be a material constant for a given set of experimental parameters such as pulse duration, wavelength, number of pulses and repetition rate. The modification threshold fluence however shows a dependence on the area that the laser pulse irradiates, both for femtosecond and nanosecond laser pulses.
In literature, two models are known that describe the dependence of the threshold fluence on the size of the irradiated area. The models describing this effect consider point defects and heat accumulation. The point defect model assumes that a material contains randomly distributed point-sized defects which decrease the threshold of modification. Illuminating the material with a larger spot size yields a higher probability to illuminate a defect. The heat accumulation model suggest that every material has a characteristic critical temperature at which the material will be modified. When a material is illuminated by the laser, energy is transferred first to the electronic system and subsequently to the lattice. This causes the material to heat up and then cool down. In case of higher repetition rates of illumination, the material can not fully cool between subsequent pulses and heat will be accumulated. After the temperature reaches the critical temperature, modification occurs.
In the present study, the irradiation area dependence of the modification behavior of silicon with femtosecond laser pulses is investigated for various sizes of the irradiated area and defect densities to validate the point defect model. The approach is to investigate the defect density achieved from fitting the model to experimental data and comparing it with the defect densities introduced to the sample. The heat accumulation model is investigated with a novel approach other than fitting of the model to the experimental data. For this, the model is evaluated for different spot sizes to determine whether it yields reasonable values for the critical temperature.
Although both models are capable of describing the experimental results in limited cases, the obtained parameters show crudities and suggest the need for a strongly revised theoretical approach.
Keywords (eng)
laser-induced modification thresholdultrafast laserfemtosecond laserlaser-material interactionbeam radius
Keywords (deu)
laserinduzierte ModifikationsschwelleUltrakurzpulslaserFemtosekundenlaserLaster-MaterialbearbeitungStrahlradius
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
66, 2 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
86
Association (deu)
Title (eng)
Spot size dependence of laser-induced modification thresholds
Parallel title (deu)
Spotgrößenabhängigkeit von laserinduzierten Modifikationsschwellen
Author
Aida Naghilouye Hidaji
Abstract (deu)
Modifikationsschwellen sind Kernparameter in der Laser-Materialbearbeitung sowie für optische Komponenten und Telekommunikationssysteme. Die Schwellenfluenz für Modifikation, d.~h. die Fluenz, bei welcher Materialmodifikation einsetzt, wird als eine Materialkonstante für einen gegebenen Satz experimenteller Parameter wie Pulsdauer, Wellenlänge, Pulszahl und Wiederholungsrate angesehen. Die Schwellenfluenz für Modifikation zeigt jedoch eine Abhängigkeit von der Fläche, welche der Laserpuls bestrahlt; sowohl für Femtosekunden-, als auch für Nanosekunden-Laserpulse.
In der Literatur sind zwei Modelle bekannt, welche die Abhängigkeit der Schwellenfluenz von der Größe des bestrahlten Bereichs beschreiben. Diese Modelle bauen auf Punktdefekten bzw. Wärmeakkumulation auf. Das Punktdefektmodell geht davon aus, dass ein Material zufällig verteilte, punktgroße Defekte aufweist, welche die Modifikationsschwelle senken. Die Wahrscheinlichkeit einen Defekt im beleuchteten Bereich zu finden ist offensichtlich von der Größe des beleuchteten Bereichs abhängig. Das Wärmeakkumulationsmodell nimmt an, dass jedes Material eine charakteristische kritische Temperatur aufweist, ab welcher das Material modifiziert wird. Wenn ein Material mit Laserpulsen beleuchtet wird, wird Energie zuerst an das elektronische System und in weiterer Folge an das Gitter übertragen. Dies bewirkt, dass das Material erhitzt wird und danach wieder abkühlt. Bei höheren Wiederholungsraten des Lasers kann das Material nicht vollständig zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen abkühlen und Wärme sammelt sich an. Sobald die Temperatur die kritische Temperatur erreicht, setzt Materialmodifikation ein.
In der vorliegenden Studie wird die Abhängigkeit des Schwellenfluenz von der bestrahlten Fläche von Silicium mit Femtosekundenlaserpulsen für verschiedene Größen der bestrahlten Flächen und Defektdichten untersucht, um das Punktdefektmodell zu validieren. Der Ansatz ist, die durch Anpassen des Modells an experimentelle Daten gewonnenen Parameter mit den Defektdichten, die den Proben zugefügt wurden, zu vergleichen. Das Wärmeakkumulationsmodell wird nicht durch Anpassen des Modells an die experimentellen Daten untersucht, sondern für unterschiedliche Größen des beleuchteten Bereichs ausgewertet um festzustellen, ob es vernünftige Werte für die kritische Temperatur liefert.
Obwohl beide Modelle in der Lage sind, die experimentellen Ergebnisse in bestimmten Fällen zu beschreiben, zeigen die erhaltenen Parameter Unzulänglichkeiten und legen die Notwendigkeit eines stark überarbeiteten theoretischen Ansatzes nahe.
Abstract (eng)
Modification thresholds are core parameters in laser materials processing as well as for optical components and telecommunication systems. The modification threshold fluence, i.~e. the fluence at which material modification sets in, was found to be a material constant for a given set of experimental parameters such as pulse duration, wavelength, number of pulses and repetition rate. The modification threshold fluence however shows a dependence on the area that the laser pulse irradiates, both for femtosecond and nanosecond laser pulses.
In literature, two models are known that describe the dependence of the threshold fluence on the size of the irradiated area. The models describing this effect consider point defects and heat accumulation. The point defect model assumes that a material contains randomly distributed point-sized defects which decrease the threshold of modification. Illuminating the material with a larger spot size yields a higher probability to illuminate a defect. The heat accumulation model suggest that every material has a characteristic critical temperature at which the material will be modified. When a material is illuminated by the laser, energy is transferred first to the electronic system and subsequently to the lattice. This causes the material to heat up and then cool down. In case of higher repetition rates of illumination, the material can not fully cool between subsequent pulses and heat will be accumulated. After the temperature reaches the critical temperature, modification occurs.
In the present study, the irradiation area dependence of the modification behavior of silicon with femtosecond laser pulses is investigated for various sizes of the irradiated area and defect densities to validate the point defect model. The approach is to investigate the defect density achieved from fitting the model to experimental data and comparing it with the defect densities introduced to the sample. The heat accumulation model is investigated with a novel approach other than fitting of the model to the experimental data. For this, the model is evaluated for different spot sizes to determine whether it yields reasonable values for the critical temperature.
Although both models are capable of describing the experimental results in limited cases, the obtained parameters show crudities and suggest the need for a strongly revised theoretical approach.
Keywords (eng)
laser-induced modification thresholdultrafast laserfemtosecond laserlaser-material interactionbeam radius
Keywords (deu)
laserinduzierte ModifikationsschwelleUltrakurzpulslaserFemtosekundenlaserLaster-MaterialbearbeitungStrahlradius
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
86
Association (deu)
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