Investigation of laser-induced structures on metal surfaces produced via two-beam and laser-plasmon interference

Abstract

Mithilfe periodischer Strukturen lassen sich die Eigenschaften einer Oberfläche vielfältig verändern, dabei hängt es stark von der Art der Strukturen ab, welche Eigenschaften die Materialoberfläche annimmt. In dieser Arbeit geht es um die Erzeugung von periodischen Strukturen auf Metalloberflächen mit Hilfe von Ultrakurzpulslasern. Dabei werden sowohl deterministische Strukturen durch Überlagerung miteinander interferierender Strahlen, wie auch Rippelstrukturen (eng. Laser-induced periodic surface structures, LIPSS) durch eine einfache Bestrahlung, generiert. Im Folgenden wird auf beide Methoden eingegangen und die Eigenschaften der jeweils erzeugten Strukturen untersucht. Dabei werden externe Parameter wie die Wellenlänge des Lichts, die Pulsdauer, die Energieverteilung, als auch das Umgebungsmedium variiert und die Veränderungen der Strukturen untersucht. Zusätzlich werden die Ergebnisse mit Simulationen verglichen, um die zugrundeliegenden Prozesse der Strukturierung besser zu verstehen. Unter festen und flüssigen transparenten Deckschichten unterschiedlicher Dicke wurden Strukturen auf Gold durch Zweistrahlinterferenz erzeugt. Dabei wurde ein Femtound ein Pikosekundenlaser verwendet. Es zeigt sich, dass Strukturen unter einer transparenten Deckschicht eine geringere Höhe der Strukturen und weniger Debris aufweisen. Für den Femtosekunden-Puls unter flüssiger Deckschicht zeigte sich eine inhomogene Strukturverteilung, was auf die Entstehung einer Druckblase in der Deckschicht zurückgeführt werden kann, die die entstehenden Strukturen nach unten und zur Seite. Bei Pikosekunden-Pulsen und bei fester Deckschicht bildeten sich homogene Strukturen. Ebenfalls wurden mit Femtosekunden-Pulsen unterschiedlicher Wellenlänge (UV, grün, IR) Rippelstrukturen auf Gold erzeugt, auch hier mit und ohne transparente Deckschicht. Es zeigt sich, dass die Eigenschaften der erzeugten Strukturen gut mit der Plasmonentheorie erklärbar sind, was einen weiteren Hinweis dafür liefert, dass LIPSS als Ergebnis einer Interferenz zwischen SPP und dem einfallenden Licht entstehen. Außerdem wird eine Methode vorgestellt, um die Höhenverteilung der Strukturen zu verändern.