Zerstörverhalten und Anwendungen von oxidischen Mischungen im Ultrakurzpulsbereich

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. Ultra Short Pulse lasers (USP-laser) gain an increasing significance in scientific, technological and medical applications. Many advantages of USP-lasers are related to the specific interaction of their ultrashort laser radiation with matter. An important aspect of the application of USP laser irradiation is the electronic interaction and the often negligible influence of thermal processes. Therefore, the understanding of the interaction process is fundamental for the systematic application of USP-technology. For the manufacturing of optical components for the USP-regime, new challenges need to be overcome, but there is also the possibility to gain new insights in the damage process of dielectric layers and optical components. This aspect is the basic focus of the present work. First, the basic behavior of the dielectric material in interaction with USP-laser irradiation is discussed. On the basis of the knowledge gained in the past two decades, a theoretical description of damage events in dielectric films is presented. In this respect, the laser wavelength and the material properties are of main interest, but also the influence of the internal field strength and of the pulse duration are discussed. In the experimental investigations, the predicted behavior of the dielectric thin films is verified by experiments on single layer coatings. Especially for the wavelength dependence, the calculation predicts a discontinuous behavior of the laser induced damage threshold (LIDT), which is traced back to the influence of multi-photon absorption. For the first time, this behavior could be proven for TiO2 single layer coatings. The LIDT as a function of the material is mainly discussed on the basis of measurements on single layers of ternary TixSi1-xO2 mixtures. The investigation has displayed a LIDT behavior which is largely comparable to the behavior of binary oxides. The observed differences can be directly compared with the help of the band gap of binary and ternary oxides. In contrast to binary oxides, the ternary mixtures can be manufactured by the IBS-Co-Sputter technique with any content of the high and the low refractive index material. This new degree of freedom opens the way for an additional parameter in the design of high power optics. In this context, a new concept was developed which leads to a stabilization of the dielectric optics by a specific variation of the composition of the ternary mixture. On the basis of this concept, algorithms for a practical optimization have been developed, tested and applied. An increase of more than 100% was shown for transparent as well as highly reflective optics, using the developed algorithms with TixSi1-xO2 mixtures in comparison to the components with binary TiO2 /SiO2. In addition, successful applications of the concept of dielectric optics with tantala and niobia are presented.