Ultrafast dynamics of melting and ablation at large laser intensities

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    13-Apr-2015

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Ultrafast dynamicsof melting and ablationat large laser intensities

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<p>Ultrafast dynamicsof melting and ablationat large laser intensitiesVon der Fakultt fr Maschinenwesen derRheinisch-Westflischen Technischen Hochschule Aachenzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaftengenehmigte Dissertationvorgelegt vonDiplom-PhysikerIlja MingareevausNowokuznetskRusslandBerichter: Universittsprofessor Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.Universittsprofessor Dr. rer. nat. Werner LauterbornTag der mndlichen Prfung: 19. Januar 2009Diese Dissertation ist auf den Internetseitender Hochschulbibliothek online verfgbarBibliografische I nformation er Deutschen ibliothek Die Deutsche ibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber http://dnb.ddb.de abrufbar. Nonnenstieg 8, 37075 Gttingen Telefon: 0551-54724-0 Telefax: 0551-54724-21 www.cuvillier.de Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrckliche Genehmigung des Verlages ist es nicht gestattet, das Buch oder Teile daraus auf fotomechanischem Weg (Fotokopie, Mikrokopie) zu vervielfltigen. Gedruckt auf surefreiem Papier 1. Auflage, 200 CUVILLIER VERLAG, Gttingen 2009 1. Aufl. - Gttingen : Cuvillier, 2009 978-3-86727-878-2978-3-86727-878-2d NationalbNationalb9D 82 ( Di s s . RWTH Aa c h e n Un i v e r s i t y , 2 0 0 9 )AbstractThis thesis contributes to the understanding of the ultrafast melting and ab-lation of solids irradiated at large laser intensities. Fundamental aspects of theultrafast laser ablation of pure metals (Au, Al, Cu, Fe, W), such as laser-matterinteraction, plasma formation, evaporation and melt dynamics have been matter ofresearch. Melting and welding of technical borosilicate glass by high-repetition rateultrafast laser radiation have been studied as well.Novel experimental techniques and tools have been developed and applied in or-der to enable investigations of laser induced transient phenomena on dierent timescales. Pump-probe imaging technique has been adopted featuring an extendedtemporal detection limit of approx. 2 microseconds and preserving a temporal res-olution in the sub-picosecond range. A novel quantitative optical phase microscopytechnique (TQPm) has been developed for time-resolved investigations of transientrefractive index and morphology changes.For laser ablation of metals at large irradiation intensities, the temporal andspatial proles of the adopted laser radiation have been examined. The heatingeect of the radiation pedestals caused by amplied spontaneous emission has beenestimated numerically resulting in a temperature increase by several hundreds ofKelvin, depending on material properties.Time-resolved shadowgraphy and quantitative measurements of the ablated vol-ume in metals have been performed in dierent ambient conditions. In the adopteddelay range, the observed ablation phenomena can be classied by at least fourcharacteristic time regions, featuring the ejection of plasma and highly pressurizedvapor, material vapor due to nucleation eects, liquid melt jets, and resolidication,respectively. Based on the experimental results of this work, a qualitative descrip-tion for ablation of metals at large intensities is given, and important dierencesto the ablation at near-threshold intensities are specied. Particularly, phenomenaconcerned with overheating of material, e.g. phase explosion and boiling crisis,are assumed as the prevailing mechanisms of ablation.Melting of technical borosilicate glass by high-repetition rate ultrafast laser ra-diation has been studied dynamically by means of TQPm. The obtained resultsexhibit transient modications of the refractive index which reects either the ion-ization process or the material densication. An important application is establishedin terms of micro-welding of thin glass substrates with glass or silicon. By produc-ing melt tracks in the interface between two substrates, reliable weld seams aregenerated in the micrometer regime.Keywords: laser ablation, femtosecond, pump-probe, phase contrastKurzfassungDiese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verstndnis der ultraschnellen Abtrags- undSchmelzphnomene von Festkrpern bei Anregung mit Laserstrahlung groer Intensitt.Fundamentale Aspekte des laserinduzierten Abtrags von Reinmetallen (Au, Al, Cu, Fe, W)mit Ultrakurzpuls-Laserstrahlung wie z.B. Laser-Materie-Wechselwirkung, Plasmabildung,Verdampfung und Schmelzdynamik wurden untersucht. Darber hinaus wurde Schmelzenund Schweien von technischem Borosilikatglas mittels hochrepetierender Ultrakurzpuls-Laserstrahlung untersucht.Fr Untersuchungen der transienten laserinduzierten Vorgnge auf unterschiedlichenZeitskalen wurden neuartige experimentelle Verfahren entwickelt und eingesetzt. Pump-probe Photographie wurde fr zeitaufgelste Messungen auf einem erweiterten zeitlichenDetektionsbereich bis ca. 2 Mikrosekunden mit Sub-Pikosekunden Ausung realisiert.Fr Detektion von transienten Brechungsindexmodikationen und Morphologienderun-gen wurde ein neuartiges, zeitaufgelstes Verfahren zur quantitativen Phasenmikroskopie(TQPm) entwickelt.Die geometrischen und zeitlichen Prole der eingesetzten Laserstrahlung groer In-tensitt wurden beim Abtragen von Metallen untersucht. Aufheizung des Materials be-dingt durch spontane verstrkte Emission mit Pulsdauer im Nanosekundenbereich fhrtzu einem materialabhngigen Temperaturanstieg von mehreren hundert Kelvin und wurdenumerisch untersucht.Zeitaufgelste Schattenphotographie und quantitative Messungen des Abtragsvolu-mens von Metallen wurden in unterschiedlichen Umgebungen durchgefhrt. Im unter-suchten zeitlichen Detektionsbereich kann die beobachtete Abtragsdynamik in mindestensvier charakteristischen Zeitregimes klassiziert werden: Ausbreitung von dichtem Mate-rialdampf und Plasma, Verdampfung aufgrund der Nukleationseekte, Abtrag in Formvon ssigen Schmelzstrahlen und Erstarrung. Basierend auf experimentellen Ergebnis-sen wurde ein qualitatives Modell fr laserinduzierten Abtrag von Metallen bei groenStrahlungsintensitten aufgestellt, welches bedeutende Unterschiede zum Abtragen beischwellennahen Intensitten aufweist. Insbesondere sind physikalische Vorgnge die imZusammenhang mit Materieberhitzung stehen wie z.B. Phasenexplosion und boiling cri-sis, als entscheidende Abtragsphnomene suggeriert worden.Laserinduziertes Schmelzen von technischem Borosilikatglas mit hochrepetierenderUltrakurzpuls-Laserstrahlung wurde mittels TQPm zeitaufgelst untersucht. Experimen-telle Ergebnisse weisen transiente Brechungsindexmodikationen auf welche auf Ionisa-tionsprozesse und Verdichtung der Materie zurckzufhren sind. Als eine wichtige Anwen-dung dieser Prozesse wurde das Mikroschweien von dnnen Glas- und Silizium-Plattendemonstriert. Beim Schmelzen von Material an Substrat-Grenzchen knnen konsistenteSchweinhte im Mikrometerbereich erzeugt werden.Schlagwrter: Laserabtrag, Femtosekunde, pump-probe, PhasenkontrastContentsIntroduction 31. State of the art and research objectives 71.1. Melting of matter by ultrafast laser radiation . . . . . . . . . 71.2. Research objectives and impacts of this thesis . . . . . . . . . 122. Fundamentals of the ultrafast melting and ablation of matter 152.1. Absorption of laser radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.1. Absorption mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.2. Free electron model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.3. Absorption in dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.1.4. Carrier redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2. The two-temperature model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3. Structural changes and material removal . . . . . . . . . . . 272.3.1. Near-threshold ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.2. Plasma formation and expansion . . . . . . . . . . . . 292.3.3. Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.4. Normal vaporization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3.5. Normal boiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.6. Phase explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.7. Critical point phase separation . . . . . . . . . . . . . 352.3.8. Thermal diusion and resolidication . . . . . . . . . 362.4. Summary and implications for this work . . . . . . . . . . . . 373. Experimental tools and techniques 393.1. Studying ultrafast phenomena with light . . . . . . . . . . . . 393.2. Ultrafast laser radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.2.1. Generation and amplication of ultrafast laser radiation 413.2.2. Characterization of the pulse contrast . . . . . . . . . 433.2.3. Characterization of the geometrical prole . . . . . . . 473.2.4. Temporal delaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.3. Time-resolved diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.3.1. Shadowgraphy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.3.2. Transient quantitative phase microscopy TQPm . . . 563.3.3. Design of the multi-camera system . . . . . . . . . . . 602 Contents3.3.4. Calibration and evaluation of TQPm . . . . . . . . . . 603.3.5. Pump-probe arrangement for shadowgraphy and TQPm 643.3.6. Design of the vacuum chamber . . . . . . . . . . . . . 673.4. Ex situ measurement techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 674. Ultrafast phase transitions in metals 714.1. Determination of ablation thresholds . . . . . . . . . . . . . . 714.2. Time-resolved shadowgraphy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.2.1. Ablation dynamics at delays 18 ns . . . . . . . . 764.2.2. Ablation dynamics at delays 1.8 s . . . . . . . . 834.3. Measurements of ejecta volume . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.4. Study of the ASE contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.5. Melt dynamics in vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.6. Experiments on conned samples . . . . . . . . . . . . . . . . 964.7. Model for ablation at large intensities . . . . . . . . . . . . . 985. Melting and micro-welding of borosilicate glass and silicon 1035.1. Melting of glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.1.1. Laser-induced refractive index changes . . . . . . . . . 1045.1.2. In situ phase microscopy of melting . . . . . . . . . . 1075.2. Micro-welding of borosilicate glass and silicon . . . . . . . . . 1085.2.1. Principle of micro-welding . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.2.2. Morphological changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.3. Model for melt ow dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126. Summary and outlook 115Appendices 121A. Abbreviations 121B. Material properties 123B.1. Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123B.2. Borosilicate glass and silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123C. Calculation of the Herriott cell parameters 125D. TQPm acquisition and evaluation tools 127D.1. Image acquisition and processing software . . . . . . . . . . . 127D.2. Compensation of phase distortions by Zernike polynomials . . 129E. Calculation of laser-induced thermoelastic stress 131Bibliography 133IntroductionUltrafast laser ablation technique is currently attracting great attention bothfor fundamental physics and technological applications. On the one hand,high-powered lasers producing single pulses with output powers in the peta-watt region are currently being developed for a whole host of fundamentalapplications ranging from fusion ignition systems and high-energy particlephysics [1] to medical applications involving radioactive isotope generation[2]. On the other hand, the recent advances in ultrafast laser technology haveopened up the possibility to use compact ultrafast tabletop laser sourcescombining multi-MW peak pulse powers and multi-MHz repetition rates forvarious applications [3].The rst investigations on the interaction of femtosecond laser radiationwith solid targets were mainly devoted to the study of modications of theirradiated samples [4, 5]. These studies are still establishing ultrafast laserablation as the state-of-art technique for precise control of material removal,due to its ability to process virtually any material with high precision andminimal collateral damage. In a wide variety of applications including cut-ting, drilling, 3D-micromachining, and surgical operations advantages overnanosecond and picosecond laser radiation have been already demonstrated.A key benet of ultrafast laser radiation consists in its ability to depositenergy into a material in a very short time period, before thermal diusioncan take place. Following linear or multiphoton absorption of the laser energy,electron temperatures can quickly rise up to many thousands of Kelvin. Withthe subsequent energy transfer from the electron subsystem to the atomic lat-tice, material removal, ablation and plasma formation occur. At laser pulsedurations shorter than the typical electron to lattice relaxation times (aboutsome ps), the systems behavior and the main properties of the plume arequite independent from material and laser parameters. On...</p>