Funktionale Schichten für den Ultrakurzpuls Bereich

Abstract

Hochtechnologische Laseranwendungen für den Ultrakurzpuls Bereich erfordern dielektrische Komponenten mit bestmöglichen Eigenschaften hinsichtlich des optischen Übertragungsverhaltens der Phaseneigenschaften und der laserinduzierten Zerstörschwellen. Zur Umsetzung dieser Forderungen steht nur eine begrenzte Anzahl binärer Materialien zur Verfügung. Insbesondere der Brechwert und die optische Bandkante sind fest durch das jeweilige Material defniert. Eine dringend erforderliche Steigerung der Leistungsverträglichkeit von Optiken bedarf somit neuartiger Konzepte, um den Brechwert oder die optische Bandkante gezielt einstellen zu können. Hierbei ist ein etablierter Ansatz der Einsatz von ternären Kompositen. Über das Mischungsverhältnis zweier binärer Materialien kann die optische Bandkante variiert werden. Nachteilig ist, dass der Brechwert durch das Komposit determiniert ist. Eine vielversprechende Alternative bietet daher die Herstellung von quantisierten Schichtstrukturen. Dabei wird ein hochbrechendes Material in eine Matrix eines niedrigbrechenden Materials eingebettet. Wird die Schichtdicke des hochbrechenden Materials dünn genug gewählt, so kann die Beweglichkeit der Elektronen eingeschränkt werden. Dieser für kristalline Halbleiter etablierter Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit erstmals experimentell mit amorphen Materialien durchgeführt und auf komplexe dielektrische Systeme übertragen. Hergestellte amorphe quantisierte Schichtstrukturen zeigen eine spektrale Blauverschiebung bei Schichtdicken kleiner als 4 nm vom hochbrechenden Material. Die optischen Bandkanten korrelieren mit theoretischen Berechnungen auf Grundlage der Lösung der Schrödingergleichung. Ein entscheidender Vorteil gegenüber ternären Kompositen ist die Möglichkeit, für eine konstant gewählte optische Bandkante den Brechungsindex gezielt über die Nanolaminatstruktur einzustellen. Beispielhaft wurde eine quantisierte Schichtstruktur mit einer optischen Bandkante von 5 eV hergestellt, die mit 1,8 einen um 16 % höheren Brechwert erreichte als das ternäre Komposit derselben optischen Bandkante. Wie bei allen bisher untersuchten Oxiden steigt die laserinduzierte Zerstörschwelle linear mit der optischen Bandkante in den Nanolaminaten an. Die quantisierten Schichtstrukturen fnden Anwendung bei der Optimierung der Zerstörschwelle von anspruchsvollen phasenkomprimierenden Optiken. Hierbei werden hochbrechende Schichten im binären Design mit maximaler Feldstärke gezielt durch die neuartigen quantisierten Strukturen ersetzt. Mit dem Designkonzept wurde eine 1,9 fach höhere LIDT für die hergestellten Demonstratoren erreicht. Das vorgestellte Konzept scheint invariant gegenüber dem spezifschen Design und den eingesetzten Materialien zu sein und bietet somit die Möglichkeit der Herstellung von phasenkomprimierenden Optiken mit Zerstörschwellen für die nächste Generation von Hochleistungslaserspiegeln.

The current laser technology and its ultrashort pulse applications are driven by a continuous improvement which imposes strong demands on the required high end optical components. Especially, steadily growing power capabilities and the dispersion management of the phase of dielectric optics are crucial and can be optimized by the choice of the layer material as well as by the corresponding design. Taking into account the well-known available binary oxides the maximum power handling capability is reached. For further improvement new materials are needed. State of the art is the deposition of ternary composites by the simultaneous sputtering of two target materials. On this basis new materials can be sputtered with improved optical gap values. The fxed index of refraction determined by the chosen ratio of the target materials can be identifed as a major disadvantage. However, another possibility successfully applied for semiconductors to create new material properties is the use of the binary oxides itself. The electron confnement can be changed by reducing the physical thickness of the high refractive index material in the few nm range of a classical high low stack. Such materials can be considered as dielectric quantized nanolaminates. In this thesis the experimental application for amorphous materials is realized in fundamental studies and transferred to complex designs for the frst time. Manufactured amorphous quantized layer structures are characterized by a spectral blue shift with layer thicknesses of the high refractive index material less than 4 nm. The optical gaps correspond with simulations applying numerical solutions of Schrödinger equation. A decisive advantage is the possibility to tune the index of refraction for a fxed optical gap with respect to ternary composites. As an example, a quantized layer structure and a ternary composite with an equal optical gap of 5 eV can be compared. In this context the index of refraction of the novel layer structure can be tuned to 1,80 and offers an increase of 16 % compared to the ternary composite. In correlation with all previously shown oxides the laser induced damage is improved linearly with the optical gap for the quantized layer structures. The fundamental results are applied to decrease the electric feld strength in complex designs of chirped mirrors. Binary high refractive index layers are replaced by the modifed layer structures. An improvement of the laser induced damage threshold by a factor of 1,9 could be demonstrated with respect to an initial binary chirp mirror. The concept seems to be independent of the applied materials and the designs. It offers a promising possibility to manufacture chirp mirrors with improved damage thresholds for the next generation of high power optics.