Formation dynamics and mechanisms of nanometer-sized laser-induced periodic surface structures (LIPSS) on solids upon irradiation with femtosecond laser pulses

In der Industrie ist ein wachsender Bedarf nach einfachen Verfahren zur Oberflächenstrukturierung mit immer kleineren Strukturgrößen, zusammen mit einer Funktionalisierung der Oberflächen, zu erkennen. Die Erzeugung laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen ("laser-induced periodic surface structures", LIPSS) stellt eine solche technische Realisierung in einem Einschritt-Verfahren dar, welches ohne komplexe Präparation oder Nachbereitung auskommt. Zur vollständigen Kontrolle der LIPSS ist es jedoch notwendig, die fundamentalen Wirkmechanismen ihrer Entstehung zu verstehen. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an. Zur Identifizierung der involvierten Mechanismen wurden für drei repräsentative Materialklassen (Metall: Titan, Halbleiter: Silizium und Dielektrikum: Siliziumdioxid) sowohl „statische“, als auch „dynamische“ Experimente mit Titan:Saphir Femtosekunden (fs) Laserpulsen durchgeführt und die Ergebnisse mit existierenden und erweiterten Theorien interpretiert. Zuerst erfolgten statische Messungen mit Einzelpulssequenzen, in denen die relevanten experimentellen Bestrahlungsparameter (Pulszahl und Peafluenz) systematisch variiert und die resultierenden LIPSS in ex-situ Studien charakterisiert wurden. Zur theoretischen Beschreibung der LIPSS wurde ein Ansatz von J. E. Sipe et al. (1983) gewählt und hier für fs-Laserbestrahlung weiterentwickelt. Ein weiteres Ziel war, möglichst kleine Strukturgrößen der LIPSS zu realisieren. An Titan konnte erstmals die Erzeugung von sub-100 nm Strukturen demonstriert werden. Die Bedeutung der transienten Änderung optischer Eigenschaften auf die LIPSS Bildung wurde in weiterführenden dynamischen Experimenten systematisch untersucht. Dazu wurden zwei komplementäre Ansätze entwickelt und experimentell realisiert. Polarisationskontrollierte Doppelpulsexperimente mit einem Mach-Zehnder Interferometer-basierten Aufbau ermöglichten die Untersuchung eines zeitlich verteilten Energieeintrages in das Probenmaterial und der nachfolgenden Relaxationsmechanismen. In allen drei Materialien bestimmt der zuerst auftreffende Puls einer Doppelpulssequenz die Orientierung der LIPSS. Dieser induziert eine lokale Modulation der eingetragenen Energie und der optischen Eigenschaften. Die räumliche Modulation wird dann durch den zweiten Teilpuls weiter verstärkt, bis die Ablationsschwelle des Materials lokal überschritten wird und LIPSS entstehen. Um transiente Anregungszustände im frühen Stadium der LIPSS Entstehung zu identifizieren, wurde erstmalig ein fs-zeitaufgelöstes Beugungsexperiment an den gitterartigen LIPSS im optischen Spektralbereich für SiO2 entwickelt und realisiert. In diesem klassischen Pump-Probe Aufbau wird die Fernfeldbeugung der Probe Strahlung an den vom Pump Strahl induzierten LIPSS Strukturen ausgenutzt. Hierfür wurde das Beugungssignal der Probe Strahlung in der ersten Ordnung zeitlich aufgelöst in nicht kollinearer Transmissionsgeometrie abgefragt. Das transiente Beugungssignal an den räumlichen LSFL Frequenzen resultiert aus einem optischen Brechzahlgitter, welches durch eine lokal modulierte Erzeugung von Ladungsträgern im Leitungsband des Festkörpers herrührt. Durch diese Arbeit wurden wesentliche Beiträge zum Verständnis der involvierten Wirkmechanismen der fs-LIPSS Bildung geleistet. Weiterhin wurden wichtige Parameter zu ihrer Manipulation und Kontrolle identifiziert, die in Zukunft, z.B. für eine großflächige Strukturierung in industriellen Anwendungen und weiteren Untersuchungen zur Oberflächenfunktionalisierung (Tribologie, Hydrophobie, Hydrophilie, strukturelle Farbe) genutzt werden können.Modern technology and industrial applications generate an increasing demand of surface nanostructuring and functionalization with simple processing strategies and for reduced structural sizes. One promising way is based on laser-induced periodic surface structures (LIPSS), which are formed in a single-step process upon irradiation of solids by linearly polarized laser pulses. Possible applications include colorization, a control of surface wetting behavior and friction management. In order to control the LIPSS characteristics for industrial applications it is necessary to gain additional insights into the dynamics and the formation mechanisms of LIPSS. Therefore, both „static“ as well as „dynamic“ experiments were performed on three representative material classes (metal: Titanium, semiconductor: Silicon, dielectric: Fused Silica) using Titanium:Sapphire femtosecond laserpulses. The results were interpreted based on existing and extended theories. In order to determine the relevance, experimental parameters (pulse number and peakfluence) were systematically varied in static experiments and the resulting LIPSS charecteristics were investigated in ex-situ studies. Reduced structural sizes could be realized succesfully. Sub-100 nm LIPSS were demonstrated for the first time on Titanium upon laser-irradiation in air. The impact of transient intrapulse changes of the optical properties of the irradiated material for the formation of fs-LIPSS was addressed in additional dynamic experiments. Two complementary approaches were developed and realized experimentally. Polarization controlled double-fs-laserpulse experiments offer an experimental way to study the influence of temporally tailored energy deposition into the solid and subsequent relaxation processes. The polarization of the first laser pulse arriving to the surface determines the orientation of the LIPSS for all investigated materials. This first pulse imprints a locally modulated pattern of electrons promoted from the valence band to the conduction band of the solid. The second laser pulse subsequently reinforces the previously seeded spatial LIPSS frequencies (although its polarization is different) until the damage threshold of the material is locally exceeded and the surface becomes rippled. In order to identify transient excitation states in the early stage of LIPSS formation, the dynamics of the LIPSS formation on fused silica were studied using a fs-time-resolved diffraction experiment in the optical range. This classical pump-probe experiment allows to reveal the formation dynamics of near-wavelength-sized LIPSS showing a transient diffraction at specific spatial frequencies. This can be related to the ultrafast deposition of optical energy at specific (LIPSS) spatial frequencies, resulting in a weakly absorbing refractive index grating due to a locally modulated generation of electrons in the conduction band of fused silica. In summary, a deeper insight into the underlying ultrashort physical mechanisms of LIPSS formation was developed. Moreover, the relevant parameter for a control and specific manipulation of their spatial characteristics were identified, which is important e.g. for large area processing of LIPSS in industrial applications and for further investigations of surface nanostructuring toward a control of optical, mechanical, or chemical surface properties (tribology, hydrophobic / hydrophilic properties, colorization)