Subwellenlängenstrukturen in photonischen Bauelementen - Strukturierung von Dielektrika mittels geformter Femtosekundenlaserpulse
Final Report Abstract
Periodische Strukturen, deren Elemente in einer vergleichbaren Größenordnung (d.h. einige wenige 100 nm oder sogar sub-100 nm) liegen, wie die verwendete Wellenlänge des Lichts, ermöglichen eine sehr effiziente Beeinflussung der optischen Eigenschaften. Diese Art der Strukturierung kann zur Herstellung kompakter optischer Filter, Polarisatoren oder auch Laserbauelemente verwendet werden. Dielektrische Materialien, wie z.B. Quarzglas, sind für optische Anwendungen von großer Bedeutung, da sie über einen weiten Bereich transparent sind (vom UV über das sichtbare Licht bis in den IR Bereich), mechanisch und chemisch günstige Eigenschaften aufweisen und zudem vergleichsweise kostengünstig sind. Aufgrund ihres elektrisch nichtleitenden Verhaltens ist eine Strukturierung im Nanometerbereich recht anspruchsvoll, da hierfür bisher im allgemeinen Elektronenstrahllithographie oder fokussierte lonenstrahlen eingesetzt werden. Die hierbei verwendeten geladenen Teilchen führen zu einer Aufladung der Probenoberfläche und damit starken Einschränkung der Strukturqualität. In diesem Forschungsprojekt wurde eine Methode zur Strukturierung von dielektrischen Proben untersucht, die auf dem direkten Materialabtrag durch zeitlich geformte Femtosekundenlaserpulse basiert. Werden die kurzen Laserpulse in ihrem zeitlichen Verlauf manipuliert, können die Effekte, die zu einem Materialabtrag führen, gezielt gesteuert werden und somit eine präzise Bearbeitung mit einer Auflösung deutlich unterhalb des ßeugungslimit durchgeführt werden. Diese Methode wurde von der Arbeitsgruppe um Prof. Thomas Baumert (Experimentalphysik 3, Universität Kassel) entwickelt und gemeinsam mit uns auf ihre Anwendbarkeit für die Herstellung von nanophotonischen Strukturen untersucht. Im Rahmen der Forschungstätigkeiten wurden eine Präparationsmethode entwickelt, die es erlaubt durch Schnitte mit fokussierten lonenstrahlen den Querschnitt, also den Tiefenverlauf, der erzeugten Lochstrukturen im Quarzglas zu analysieren. Hierbei wurde erstmals gezeigt, dass bei der Verwendung von stark asymmetrisch geformten Laserpulsen ein sehr tiefer und schmaler Lochkanal entsteht (typ. 250 nm Durchmesser, bis zu 8 µm Tiefe). Der Einfluss der unterschiedlichen Herstellungsparameter wurde anhand von Reihenuntersuchungen ermittelt und das Auftreten von störenden Schmelzrändern an der Proben-Oberfläche spezifiziert. Die Strukturierung von verschiedenen Materialien, insbesondere als dünne Filme auf Quarzglas, wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine materialselektive Bearbeitung möglich ist, allerdings konnte die Entstehung der Schmelzränder noch nicht ausreichend vermieden werden. Hierzu wurden daher weitere Möglichkeiten der Vor- bzw. Nachprozessierung entwickelt. Als typische periodische Struktur, wie sie in der Nanophotonik verwendet wird, wurde ein Feld mit regelmäßiger Anordnung von runden Lochkanälen gewählt. Mit Hilfe von numerischen Simulationen konnte mit den Vorgaben der Herstellungsmethode ein Filterbauelement entworfen werden. In weiteren Berechnungen wurde zudem ein bisher nur wenig beachteter Einfluss von Durchmesser und Art des verwendeten Fokuspunkts bei der Vermessung von Filterstrukturen gezeigt und untersucht. Aufgrund der hohen Auflösung, der Vermeidung von Aufladungsproblemen, der Möglichkeit sehr tiefe Lochkanäle zu erzeugen, aber auch der hohen Geschwindigkeit der Prozessierung, und da auf Vakuumbedingungen bei der Bearbeitung verzichtet werden kann, stellt die Strukturierungsmethode mit zeitlich geformten Femtosekundenlaserpulsen eine sehr interessante neue Option dar, die sicherlich nicht nur für optische Anwendungen von Vorteil sein wird.
Publications
- "Guided-mode Resonances in Dielectric Photonic Crystal Slabs with Low Index Contrast," in IEEE Optical MEMS and Nanophotonics Conference, 2012, pp. 170-171
T. Kusserow, Y. Khan, R. Zamora, F. Messow, and H. Hillmer
- "Dielectric Photonic Crystal Structures Fabricated by Direct Patterning with Shaped Femtosecond Laser Pulses," in ICMAT2013, 2013, p. A-1626
T. Kusserow, N. Götte, Y. Khan, T. Meinl, C. Sarpe, J. Köhler, S. Schudy, M. Wollenhaupt, T. Baumert, and H. Hillmer
- "Generation of Functional Structures in Dielectrics on Nanometer Scale via Shaped Femtosecond Laser Pulses," in DPG Frühjahrstagung, 2013
N. Götte, C. Sarpe, J. Köhler, L. Englert, D. Otto, T. Kusserow, T. Mein), Y. Khan, H. Hillmer, M. Wollenhaupt, and T. Baumert
- "Generation of Functional Structures in Dielectrics on the Nanometer Scale via Shaped Femtosecond Laser Pulses," in Conference on Laser Ablation (COLA), 2013, pp. P1-02
N. Götte, C. Sarpe, J. Köhler, T. Kusserow, T. Meinl, Y. Khan, H. Hillmer, M. Wollenhaupt, and T. Baumert
- "Material processing of dielectrics via temporally shaped femtosecond laser pulses as direct patterning method for nanophotonic applications," in NATO Nanoscience Advances in CBRN Agents Detection, Information and Energy Security, P. Petkov et al. Eds. Dodrecht: Springer Science + Business Media, 2014, pp. 29-34
T. Meinl, N. Götte, Y. Khan, T. Kusserow, C. Sarpe, J. Köhler, M. Wollenhaupt, A. Senftleben, T. Baumert, and H. Hillmer
- "Modelling, Design and Fabrication of Dielectric Photonic Crystal Structures Using Temporally Asymmetric Shaped Femtosecond Laser Pulses," in IEEE Optical MEMS and Nanophotonics Conference, 2014, pp. 207-208
Y. Khan, N. Götte, T. Meinl, T. Kusserow, A. Senftleben, T. Baumert, and H. Hillmer
(See online at https://doi.org/10.1109/OMN.2014.6924525) - "Real Time Observation of Transient Electron Density in High Bandgap Dielectrics irradiated with Tailored Femtosecond Laser Pulses," in DPG Frühjahrstagung, 2014
N. Götte, T. Winkler, C. Sarpe, B. Zielinski, J. Köhler, T. Kusserow, T. Meinl, Y. Khan, H. Hillmer, M. Wollenhaupt, A. Senftleben, and T. Baumert
(See online at https://dx.doi.org/10.1088/13672630/14/7/075021) - "Temporally shaped femtosecond laser pulses as direct patterning method for dielectric materials in nanophotonic applications," in Proc. SPIE 9126, Nanophotonics V, 2014, p. 91262B
T. Meinl, N. Götte, Y. Khan, T. Kusserow, C. Sarpe, J. Köhler, M. Wollenhaupt, A. Senftleben, T. Baumert, and H. Hillmer
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2051749) - "Temporally shaped femtosecond laser pulses for creation of functional sub-100 nm structures in dielectrics," in Optically Induced Nanostructures, 1st ed., K. König and A. Ostendorf, Eds. Berlin: de Gruyter, 2015, pp. 47-72
N. Götte, T. Kusserow, T. Winkler, C. Sarpe, L. Englert, D. Otto, T. Meinl, Y. Khan, B. Zielinski, A. Senftleben, M. Wollenhaupt, H. Hillmer, and T. Baumert
