Modification of the refractive index of PMMA by femtosecond laser pulses

Durch die hohen Intensitäten von Femtosekundenlaserpulsen ist mit solchen Pulsen die gezielte Modifikation des Brechungsindex von PMMA möglich. Dies führte zur Idee die Abbildungsfehler optischer Komponenten zu reduzieren. Dafür muss die Komponente zunächst mittels Interferometer untersucht werden. Die detektierten Abweichungen des Streifenmusters vom Optimum sollen anschließend durch gezielte Modifikation des Brechungsindex als Negativ in eine PMMA-Scheibe geschrieben werden. Eine anschließende Kombination der optischen Komponente und der Scheibe soll so zu einer verbesserten Abbildung führen. Ziel dieser Arbeit war es dabei einen Prozess zur Brechungsindexmodifikation zu entwickeln, bei welchem gleichzeitig die verursachten Schäden detektiert werden können. Dazu wurde ein aus zwei Teilen bestehender Versuchsstand aufgebaut. Mit dem ersten Teil des Aufbaus war eine Mikrometer genaue Bearbeitung der PMMA-Scheiben möglich. Der Hauptbestandteil des Versuchsstands zur Detektion der Schäden besteht aus einem Interferometer, mit welchem die entstehenden Differenzen der optischen Weglängen detektiert werden können. Diese können dann von einer Software ausgewertet werden. Durch geschickte Anordnung der beiden Teile, konnten Bearbeitung und Untersuchung gleichzeitig stattfinden. Nach erfolgreichem Test der Anlage wurde anschließend versucht mit verschiedenen Parametern eine gezielte Änderung des Brechungsindex zu erreichen. Bei der ersten Versuchsreihe wurde ein scannendes Verfahren mit einer geringen Pulsfrequenz von 1 kH gewählt. Dabei wurde zunächst ein Volumen von 100 µm x 100 µm x 100 µm mäanderförmig abgerastert. Mit diesem Verfahren konnte jedoch keine Änderung erzielt werden, so dass anschließend jeder zu bearbeitende Punkt einzeln angefahren und bestrahlt wurde um die eingebrachte Energie zu erhöhen. Da auch mit diesem Verfahren keine Änderung erzielt wurde, folgte eine Versuchsreihe mit hochfrequenter Pulsfolge (76 MHz), welche zu Veränderungen des Brechungsindex durch thermische Zerstörung führte. Der erhoffte Durchbruch zur Korrektur optischer Komponenten konnte somit in dieser Arbeit nicht erreicht werden. Die Ursache für die misslungenen Versuchsreihen mit niedriger Pulsfolge lassen sich auf zu niedrige Intensitäten zurückführen. Ob dies jedoch an der zu geringen Leistung des Lasers oder an Verlusten innerhalb des Aufbaus lag, konnte nicht geklärt werden.Due to high intensities of ultra short laser pulses, it is possible to use them for modification of the refraction index of PMMA. This theory led to the idea of reducing the abberation of optical components. In a first step, the component has to be examined with an interferomter. In a next step, the negative of the found abberation, of the interference fringes from the optimum, are written on a PMMA disc by modifying the refractrive index. Combining the disc and the optical component should lead to an improvement of the interference pattern. Object of this dissertation was to develop a process for the modification of the refractive index by ultra short laser pulses while examining these modifications at the same time. Therefore, an experimental setup consisting of two parts was built. With the first part, a modification of the PMMA disc with an accuracy of a micrometer was possible. The main constituent of the second part of the experimental setup, for the detection of the modifications, was an interferometer. It is possible to detect the resulting optical path differences. These differences were then analyzed by a software. Through proper arrangement of both parts of the experimental setup, it is possible to modify and analyse the material at the same time. After a successfull test of the setup it was attempted to modify the refractive index with different parameters. In the first experimental series with low repetition rates of the laser, a scanning method was used. In the process a volume of 100 µm x 100 µm x 100 µm was scanned in a meandering fashion. Because of lack of change in the refractive index, the system was changed to a point by point method. In this setup, every single spot in the volume was irradiated for a given time, through which it was possible to control the energy input for every spot. Even with this mode, no change was detected. For the last experimental series the pulse repetition rate was increased to 76 MHz. However in this mode the refractive index was changed by thermal destruction of the material. It remains to be noted, that there was no breakthrough for the correction of optical components by ultra short laser pulses. The cause of the failed experiments with low repetition rates can be traced back to low intensities of the laser pulses. It has to be further investigated whether it is because of the low laser power or the losses in the experimental setup, why the experiments failed