Ursächliche Prozesse der Brechungsindexmodifikation bei der Femtosekunden-Laserstrukturierung von Wellenleitern in Dielektrika

In der vorliegenden Dissertation werden die physikalisch ursächlichen Prozesse der durch ultrakurz gepulste Laserstrahlung in Dielektrika induzierten Brechungsindexmodifikationen systematisch untersucht. Für die ursächlichen elektronischen und thermischen Prozesse, die durch fokussierte Laserstrahlung im Volumen von Gläsern hervorgerufen werden, erfolgt eine detaillierte und unabhängige Analyse. Die Strukturierung der Gläser wird mittels zeitlich modulierter Laserstrahlung im infraroten Spektralbereich durchgeführt. Mit Interferenzmikroskopie wird die zweidimensionale Brechungsindexverteilung der Wellenleiterquerschnitte bestimmt. So kann die Simulation der Strahlpropagation im Wellenleiter abgestimmt auf die real vorliegende Brechungsindexverteilung durchgeführt werden. Die durch die Laserstrahlung induzierte strukturelle Veränderung in der Glasmatrix wird mittels Raman-Spektroskopie anhand der Zunahme von drei- und viergliedrigen Ringstrukturen nachgewiesen. Eine vergrößerte Brechungsindexänderung wird in Borosilikatglas und Quarzglas bei der Verwendung von Laser-Doppelpulsen beobachtet. Die Bildung und Anregung von Defekten und die sich dadurch ergebende Brechungsindexänderung werden in einem erarbeiteten Modell mit zusätzlichen Energieniveaus zwischen Valenz- und Leitungsband erklärt. Das innerhalb der vorliegenden Dissertation erarbeitete Prozessverständnis dient als Basis für die gezielte Kontrolle und Maximierung der Brechungsindexmodifikationen zur Herstellung dreidimensionaler, optischer Komponenten für die Integrierte Optik.

In this dissertation the physically fundamental processes of ultrashort pulsed laser radiation induced refractive index changes are systematically investigated. A detailed and independent analysis is carried out for the fundamental electronic and thermal processes which are generated by focused laser radiation in the volume of glass materials. Glass materials are structured by temporally modulated laser radiation in the infrared spectral range. The two-dimensional refractive index distribution of waveguide cross sections is determined by interference microscopy. Thus the simulation of the beam propagation within a waveguide is operated for the real existent refractive index distribution. The laser induced structural change in the glass matrix is proved with Raman spectroscopy by the increase of three- and four-membered ring structures. An increase in the refractive index is observed by structuring borosilicate glass and fused silica with laser double pulses. The formation and excitation of defects and therefore the resulting refractive index changes are explained by a developed model in which additional energy levels between the valence and the conduction band are described. The understanding of the process developed in this dissertation is the basis for the systematic control and maximization of the refractive index change for the realization of three-dimensional, optical components for integrated optics.