Brechungsindex in Gläsern mit Doppelpulsen ultrakurz gepulster Laserstrahlung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Quarzglas und D263 werden Wellenleiter mit fs-Laserdoppelpulsen hergestellt und charakterisiert. Für beide Gläser werden in Bezug auf eine maximale numerische Apertur der Wellenleiter Prozessfenster im Hinblick auf Pulsenergie, Energieverhältnis und zeitlichem Abstand der fs-Doppelpulse identifiziert. Der Einfluss der fs-Doppelpulse auf die Brechungsindexmodifikation auf Grund von elektronischen Prozessen und damit eine Vergrößerung der numerischen Apertur der Wellenleiter wird nachgewiesen. Die in Voruntersuchungen zuvor ermittelten zeitlichen Abstände t = 400…800 ps, bei denen in Quarzglas eine Vergrößerung der numerischen Apertur auftritt, werden bestätigt. Demnach werden veränderte Absorptionseigenschaften durch transiente Farbzentren und erzeugte Sauerstofffehlstellen als Ursache der Brechungsindexmodifikation vermutet. Die Abhängigkeit der numerischen Apertur vom zeitlichen Abstand schließt thermische Ursachen als einzigen ursächlichen Prozess für diese Art von Modifikationen aus. Für das Borosilikatglas D263 wird in demselben Zeitfenster wie für Quarzglas eine Vergrößerung der numerischen Apertur nachgewiesen, was auf gleiche ursächliche – also elektronische – Prozesse hindeutet. Demnach ist eine Übertragung der Modelle zum Einfluss der elektronischen Prozesse auf die Brechungsindexmodifikation von Quarzglas auf D263 im Rahmen des Projekts möglich geworden. Zusätzlich wird in D263 neben den beschriebenen, elektronischen Prozessen ein zusätzlicher Einfluss thermischer Prozesse ermittelt. Die Messgrößen Querschnittshöhe sowie numerische Apertur weisen vergrößerte Werte für das Zeitfenster t = 400…800 ps, jedoch auch für t = 0 und t = 2 ns auf. Das Vorliegen einer transienten, thermischen oder elektronischen Linse, die sich während der Strukturierung bildet, wird vermutet. Diese Linse überlagert sich mit den vorliegenden elektronischen Prozessen. Für t = 2 ns wird eine verkleinerte Wirkung der durch den ersten Puls erzeugten transienten, thermischen Linse vermutet, die keinen großen Einfluss auf den zweiten Puls mehr hat. Die Größenordnung der erzielten numerischen Aperturen von Wellenleitern in Quarzglas und D263 beträgt NA ~ 0,01. Dadurch ist die Flexibilität von Wellenleiterstrukturen in drei Raumrichtungen sowie die Anpassung an Diodenlaserstrahlung (NA ~ 0,2) weiterhin eingeschränkt. Für das Verständnis der Entstehung induzierter Brechungsindexmodifikationen ist eine Trennung der elektronischen und thermischen Prozesse voneinander erforderlich: Einerseits ist für die Untersuchung einer vorwiegend thermisch induzierten Brechungsindexmodifikation die Verwendung großer Repetitionsraten (f > 1 MHz) bei großer Pulsenergie ratsam. Andererseits wird mit der frequenzverdoppelten Laserwellenlänge = 522 nm auf Grund des proportionalen Zusammenhangs zwischen Fokusdurchmesser und Wellenlänge sowie der Verwendung von Mikroskopobjektiven großer numerischer Apertur (NA > 0,6) das Fokusvolumen verkleinert. Dadurch kann der Einfluss elektronischer Prozesse auf die induzierten Brechungsindexmodifikationen untersucht werden. Die Energieverhältnisse VE 50:50 und 60:40 sind für die untersuchten Gläser im Hinblick auf die Wellenleitereigenschaften für die Größe der numerischen Apertur am geeignetsten. Daher sollte in folgenden Experimenten eine Beschränkung auf das Energieverhältnis 50:50 vorgenommen werden.
