Zerstörverhalten und Anwendungen von oxidischen Mischungen im Ultrakurzpulsbereich

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Zurzeit ist im wissenschaftlich-technologischen Bereich sowie in der Medizintechnik eine rapide und nachhaltige Zunahme der Ultrakurzpuls (UKP)-Laseranwendungen zu beobachten. Der besondere Vorteil der UKP-Laser liegt in der speziellen Wechselwirkung der ultrakurzen Laserpulse mit der Materie begründet. Im Gegensatz zu den Laserquellen mit längeren Pulsdauern lassen sich mit UKP-Lasern gezielt nichtlineare, elektronische Effekte ausnutzen, bei denen thermische Effekte vernachlässigt werden können. Das Verständnis des Wechselwirkungsprozesses ist somit die Grundlage für seine gezielte technologische Anwendung. Für die Optikfertigung ergeben sich hier neue Herausforderungen, aber auch die Möglichkeit, einen detaillierteren Einblick in die Zerstörungsvorgänge von dielektrischen Materialien und optischen Komponenten zu gewinnen. Dies ist der Ansatzpunkt der vorliegenden Arbeit. Zunächst wird das grundlegende Verhalten von dielektrischen Materialien bei der Wechselwirkung mit UKP-Laserstrahlung thematisiert. In einer theoretischen Betrachtung werden Modelle dargestellt, auf deren Grundlage das Zerstörungsverhalten von optischen Schichten prognostiziert wird. Besondere Bedeutung kommt hier der Abhängigkeit der Zerstörschwelle von der Wellenlange der Laserstrahlung und dem Material zu, aber auch die Abhängigkeit von der internen Feldstärke und von der Pulsdauer wird thematisiert.

Im experimentellen Teil werden zunächst die von den theoretischen Modellen prognostizierten Aussagen an Einzelschichten überprüft. Vor allem für dieWellenlängenabhängigkeit der laserinduzierten Zerstörschwelle (LIDT, Laser Induced Damage Threshold) sagt die Theorie ein diskontinuierliches Verhalten voraus, welches durch den Einfluss der Multiphotonenionisation hervorgerufen wird. Dieses Verhalten konnte im Rahmen der Arbeit erstmals exemplarisch an TiO2-Schichten nachgewiesen werden. Die Materialabhängigkeit wurde an ternaren TixSi1−xO2-Mischschichten untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich die ternaren Mischungen weitgehend identisch zu den binaren Oxiden verhalten. Die maßgebliche physikalische Kenngröße ist hierbei die Materialabsorptionskante, die auch einen direkten Vergleich zwischen den Materialien gestattet. Im Gegensatz zu den binaren Oxiden lassen sich die ternaren Mischungen mittels des Ionenstrahl-Co-Sputter-Verfahrens stufenlos variieren. Dieser zusätzliche Beschichtungsfreiheitsgrad führt zu verbesserten Möglichkeiten für das Design komplexer Hochleistungsoptiken. In diesem Zusammenhang wurde hier ein Konzept abgeleitet, welches eine Stabilisierung der optischen Schicht durch gezielte Variation der Mischung vorsieht. Um das Verfahren effektiv in der Optikfertigung anzuwenden, wurden auf Grundlage dieses Konzeptes Optimierungsalgorithmen entwickelt und angewendet. Damit wurde die LIDT von optischen Komponenten in verschiedenen, auf TiO2/SiO2 basierenden Applikationen um stets deutlich mehr als 100% gesteigert und es wurde gezeigt, dass sich das Konzept bei anderen oxidischen ternaren Mischungen anwenden lasst.