Verbesserte Dünnschichten aus ionenstrahlbasierter Zerstäubung für ultraviolette Laseranwendungen
Creators: name: Alig, Thimotheus
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2022
Subjects: subject: Optical thin films
subject: Ion beam sputtering
subject: Laser induced damage
subject: Optische Dünnschichten
subject: Ionenstrahlzerstäubung
subject: Laserinduzierte Zerstörung
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften

description: Im Hinblick auf die optischen Technologien werden mit Hilfe des Ionenstrahlsputterverfahrens hochqualitative Schichtsysteme bereitgestellt. Allerdings beschränken sowohl Verlusteigenschaften als auch laserinduzierte Zerstörungen die Anwendungsmöglichkeiten im ultravioletten Spektralbereich. In diesem Zusammenhang sollen Prozesserweiterungen unter anderem Lebenswissenschaften, Halbleiterlithografie und Weltraumanwendungen befördern. Unter Zuhilfenahme von Materialkombinationen wurden am Beispiel von Hafniumdioxidschichten die optischen Eigenschaften zugeschnitten. Ausschlaggebend waren in diesem Fall die Verlusteigenschaften von Resonatorspiegeln einer nichtlinearen Frequenzkonversion. Zusätzlich zu Aluminiumoxid konnten die ultravioletten Absorptionsverluste auch mit Hilfe von Siliziumdioxid reduziert werden. In Übereinstimmung mit dem Lorentz-Lorenz-Modell verringerte sich allerdings der Brechungsindex der binären Materialkombination. Unter Zuhilfenahme von Lumineszenzspektroskopie konnten Veränderungen der elektronischen Bandstruktur nachgewiesen werden. Darüber hinaus zeigten die komplexen Resonatorspiegel unter Einsatz geringer Beimischungen eine signifikante Reduzierung der Streulichtverluste. Im Hinblick auf ionengestützte Wachstumsprozesse wurde der Schichtabtrag durch eine sekundäre Ionenstrahlquelle untersucht. Die Sputtereffizienzen der verwendeten Schichtmaterialien bestätigten die grundlegenden Zerstäubungsmechanismen. Zusätzlich zur Substratvorbereitung ermöglichte die Ionenstrahlätzung auch eine Korrektur der einzelnen Schichtdicken. Im Rahmen der Ionenstrahlstützung verstärkte das Argonbombardement die Mikrokristallisation der einlagigen Hafniumdioxidschichten. Unter Zuhilfenahme ionisierter Sauerstoffatome ließ sich im Gegensatz dazu das Streulichtaufkommen reduzieren. Im Hinblick auf zukünftige Weltraummissionen wurden Antireflexbeschichtungen für 355nm mit Hilfe eines streifenden Argonbombardements beeinflusst. Die sekundären Zerstäubungsvorgänge sollen dem partikelinduzierten Zerstörungsmechanismus im Bereich der Nanosekundenpulse entgegenwirken. Unter Zuhilfenahme von Rasterscantests wurde in diesem Zusammenhang eine Verbesserung der laserinduzierten Zerstörschwelle von mehr als 50% nachgewiesen.
description: The ion beam sputtering provides high quality thin films for a wide range of optical technologies. Optical losses and laser-induced damage nevertheless limit the application in the ultraviolet spectral range. The developed coating processes should advance life sciences, semiconductor lithography, and space applications. The investigation started with a tailoring of hafnium dioxide for applications in the ultraviolet spectral range using material mixtures. Reference was made to the loss properties of complex resonator mirrors at a wavelength of 355nm used for a non-linear frequency conversion. The absorption losses in the ultraviolet spectral range could be reduced by the addition of aluminum oxide or silicon dioxide. The refractive index of the combination was also reduced which confirmed consistency with the Lorentz-Lorenz model. Luminescence spectroscopy over a broad wavelength range was used to detect changes in the electronic band structure as a function of the material mixtures. The scattering losses of the resonator mirrors could also be reduced requiring only small amounts of the mixing materials. An assisted growth process was introduced by investigating the etching behavior of materials against secondary ion bombardment. The fundamental sputtering mechanisms could be matched with the etching efficiencies of the single layer systems. The developed etching process can be used during substrate preparation as well as for the correction of overgrown layer material. During the assisted growth processes the hafnium dioxide films showed micro crystallization when argon ions were applied. In contrast to that bombardment with ionized oxygen was able to reduce the scattering losses of the layer systems. Further attempts included a grazing argon bombardment of antireflection coatings to improve the damage resistance for future flight lasers. The mitigation scheme counteracted the particle-induced damage mechanism at a wavelength of 355nm that limited the power capability in the nanosecond pulse regime. An increase in the laser-induced damage threshold of more than 50% was demonstrated by performing large area raster scan tests.