Wechselwirkung von ultrakurzen Laserimpulsen mit Festkörpern.

Seitdem Femtosekundenlaser in immer größerem Ausmaß als stabile, kompakte und zuverlässige Quellen ultrakurzer Lichtimpulse kommerziell zur Verfügung stehen, werden diese vermehrt zur Materialbearbeitung, insbesondere zur Herstellung kleiner Strukturen (in der Größenordnung tausendstel Millimeter) mit hohen Anforderungen an Kantensteilheit und begrenzten Schmelzzonen, eingesetzt. Diese Anwendung erfuhr in den letzten fünf Jahren eine regelrechte Renaissance, wobei zwei Hauptstoßrichtungen zu erkennen sind: Einerseits die Optimierung des Bearbeitungsprozesses in Hinblick auf Strukturgröße und Sauberkeit, also die technologische Vervollkommnung, andererseits der Gewinn an physikalischer Information über die Wechselwirkung zwischen Licht und Festkörper. Auf letztgenanntem Gebiet klaffen heute noch große Lücken. Bei der Anwendung kurzer Impulse zur Materialbearbeitung kommt insbesondere die hohe Spitzenintensität dieser Impulse (trotz geringer Energien) zum Tragen. Während in un-durchsichtigen Materialien (Metalle, Halbleiter) Licht direkt absorbiert wird, ist man bei transparentem Material (Glas, Diamant, Quarz) auf nichtlineare Absorption angewiesen. In diese Betrachtung werden als nichtlineare Prozesse nicht nur sol-che einbezogen, bei denen die Absorption direkt nichtlinear von der Intensität des einfallenden Lichtes abhängt (Mehr-Photonen-Absorption), sondern auch die Absorption durch vorhandene "Defekte". Letztere hängt zwar linear von der Intensität, aber die Anzahl der generierten "Defekte" nichtlinear von der Intensität ab. Die weiteren physikalischen Vorgänge, die letztendlich zur Materialabtragung führen, sind Aufheizung des Festkörpers und schließlich werden Schmelz- und Siedetemperatur überschritten, das Material verdampft Im Rahmen dieses Projektes wurde das Hauptaugenmerk der Untersuchungen auf den Primärprozesses gelegt. Es wurde versucht, eine Antwort auf die Fragen zu finden, welcher der beiden nichtlinearen Absorptionsprozesse bei unterschiedlichen Laserpulsdauern eine dominante Rolle spielt und welche Auswirkungen der Primärprozess auf das Zerstörverhalten hat. Darüber hinaus wurden Tests zur Anwendung von ultrakurzen Laserpulsen zur Materialbearbeitung gemacht. Werden ultrakurze Laserimpulse im Femtosekundenbereich verwendet, ändert sich das Ergebnis der Ablation drastisch mit der Pulsdauer. In Dielektrika wird mit abnehmender Pulsdauer die Präzision der Bearbeitung größer, die Zerstörschwelle (Energiedichte) sinkt weiterhin mit abnehmender Pulsdauer und wird deterministischer. Dies wurde durch Modellierung und Messungen in einer Reihe von Dielektrika (Gläsern) bestätigt und mit der zunehmend wichtigeren Rolle der Mehr-Photonen Absorption erklärt. Bei der industriellen Anwendung ultrakurzer Laserimpulse zur Materialbearbeitung steht auf Grund der beschriebenen Physik die Herstellung kleinster Strukturen (derzeitiges Ziel: Sub-Mikrometer) im Vordergrund. Aufgrund der Präzision und Reproduzierbarkeit der Ablationsschwelle für Femtosekundenimpulse können einerseits thermische Beeinflussungen des umgebenden Materials ausgeschlossen werden, andererseits kann durch genaues Einstellen der Laserintensität die Ablation nur in einem Teil (Maximum) des Laserstrahlprofiles stattfinden. Denkbar sind solche Einsatzgebiete wie direktes Schreiben einer DVD mit dem Laserstrahl (unter Umgehung des lithographischen Prozesses) oder die nachträgliche Veränderung von integrierten Schaltkreisen (resistor trimming). Auch in der Medizin (insbesondere an Augen und Zähnen) werden vielfältige Untersuchungen zur Anwendung kürzester Impulse angestellt.