Self-organization in thin metal films under laser irradiation

• Main Author: Gedvilas, Mindaugas
• Other Authors: Smilgevičius, Valerijus
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Lithuanian Academic Libraries Network (LABT) 2011
• Subjects: Materials Engineering; Chromium on glass; Laser ablation; Marangoni convection; Plateau-Rayleigh instability; Ripple; Chromo danga; Lazerinė abliacija; Marangoni konvekcija; Plato-Reilio nestabilumas; Raibuliai
• Online Access: http://vddb.laba.lt/fedora/get/LT-eLABa-0001:E.02~2011~D_20111122_102641-53693/DS.005.1.01.ETD

The aim of this PhD thesis is to find out mechanisms of the ripple initiation and formation in the chromium thin film on the glass substrate. To learn to control the ripple formation and to apply it for fabrication of diffraction gratings. In this thesis, the experimental and theoretical results of new self-organization effect of the metal thin film on the glass substrate under irradiation with a sequence of partially overlapping laser pulses are presented. The method for formation of the regular ripples and results on investigation of diffractive properties of the self-organized gratings is presented. Different types of metals are used in experiments in order to understand the reasons of regular structure formation in chromium film. A diverse behavior of the films under laser irradiation is observed depending on the metal when burst of partially overlapping pulses was applied. Experimental data is compared with simulations based on different physical phenomena in order to develop and confirm a model of ripple formation in thin chromium film under its irradiation with pulses of a nanosecond laser. The Plateau-Rayleigh instability of the cylindrical ridge formation during laser ablation appears to be the most probable process responsible for initiation of the ripple formation. The Marangoni convection of the molten metal from hot areas to cold is the stabilizing process of steady ripple formation. === Disertacijos darbo tikslas yra suprasti pagrindinius fizikinius mechanizmus, lemiančius raibulių susidarymą. Išmokti kontroliuoti raibulių formavimąsi. Panaudoti raibulių formavimąsi difrakcinių gardeliu gamybai. Rasti sąlygas, kada raibulių formavimosi galima išvengti, siekiant sumažinti kodinės stiklinės liniuotės periodą. Ištirti galimą raibulių formavimąsi skirtingų metalų dangose. Šioje daktaro disertacijoje pristatomi eksperimentiniai ir teoriniai rezultatai naujo savi-organizacijos reiškinio metalo dangos ant stiklo padėklo nanosekundinio lazerio į juostą sufokusuoto pluošto spinduliuotės poveikyje. Pristatomas naujas difrakcinių gardelių formavimo metodas panaudojant metalo savitvarką. Siekiant suprasti kas inicijuoja raibulių formavimąsi ir ar jis įmanomas visiems metalams, dangos apdribimas persiklojančiais lazerio impulsais aštriai į juostą sufokusuotu lazerio pluoštu išbandytas skirtingiems metalams. Skirtingas dangos elgesys stebimas kiekvienam metalui. Nagrinėjami pagrindiniai fizikiniai mechanizmai sukeliantys griežtai periodinių raibulių formavimąsi. Parodoma, kad raibulių formavimosi pradžia atsiranda dėl Plato-Reilio nestabilumo cilindrinės užvartos susidarymo metu. Taip pat parodoma, kad Marangoni konvekcija skystame metale yra pagrindinė jėga, lemianti nusistovėjusį periodinių raibulių formavimąsi.