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

by Jens Oltmanns
Doctoral thesis
Date of Examination:2022-12-09
Date of issue:2023-03-15
Advisor:Dr. Peter Simon
Referee:Prof. Dr. Alexander Egner
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9790

 

 

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Abstract

English

Periodic surface structures can change the properties of material surfaces. The obtained various functionalities strongly depend on the type of the specific structures. This work deals with the generation of periodic structures on metal surfaces using ultrashort pulse lasers. Both, deterministic structures by superposition of mutually interfering beams, as well as ripple structures (laser-induced periodic surface structures, LIPSS) by a single beam irradiation, are generated and the resulting structures are evaluated. The parameters such as the wavelength of the laser, the pulse duration, the fluence distribution and the surrounding medium are changes in the experiments and the changes in the structures analysed. In addition, the experimental findings are compared to simulation results to understand the fundamental processes of the structure formation. Structures were obtained using single pulse interference patterning on gold under solid and liquid confinement layers with different thicknesses. Femtosecond and picosecond laser pulses are used. The structures forming under the confinement layer have a smaller height and less debris. The height distribution under the liquid confinement layer are inhomogeneous when using the femtosecond pulse, attributed to a pressure bubble in the confinement layer, which is pushing the developing structures down- and sidewards. But with the picosecond pulse and under the solid layer the structures are homogeneous. LIPSS were produced on a gold surface using femtosecond pulses at different wavelengths (UV, green, IR), also with and without a confinement layer. The measured properties of the structures are in accordance with those predicted by the plasmonic theory, thus providing further evidence that LIPSS emerge as a result of interference between SPP and the incoming light. Furthermore, a method of controlling the structure heights is presented.
Keywords: LIPSS; laser-induced periodic surface structures; surface structuring; plasmon; laser; two-beam interference; confinement layer

German

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.
 
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