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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/3579| Femtosecond laser-induced periodic surface structures formation on thin films Estructuras periódicas superficiales inducidas por láser de femtosegundos en pelíıculas delgadas | |
| JOSE RICARDO SANTILLAN DIAZ | |
| PAULINA SEGOVIA OLVERA SANTIAGO CAMACHO LOPEZ | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Pulsed Laser, femto-seconds, nano-structures, LIPSS, oxides, titanium, bismuth, Fourier transform, Plasmons, Surface plasmon-polaritons, FDTD Laser pulsado, femtosegundos, nanoestructuras, LIPSS, oxidos, titanio, bismuto, transformada de fourier, plasmones, FDTD | |
| In the present work, we develop a theoretical and experimental study on the formation of Laser Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) on the surface of bismuth and titanium thin films. The light source that we used to produce such structures is an Ytterbium fiber laser (Satsuma HP2, Amplitude Systems) producing 270 femto-second pulses at a central wavelength of 1030 nm, frequency repetition rates of 1 kHz and 5 kHz. To determine the required irradiation parameter for producing this LIPSS, we carried out a characterization on the ablation threshold fluence on each film. Furthermore, we proposed to modify a well-known phenomenological model which treats the pulse laser ablation as a cumulative process. Once we have produced the patterns, we use a simple image processing technique based on the Fourier transform of optical and SEM micrographs of the structures. This technique gives us the periodicity, orientation ans dispersion of the LIPSS orientation angle among other significant values. The analysis of the experimental results, shows that the current electromagnetic-based models are adequate to predict the occurrence of LIPSS on both materials as well as their evolution when varying the angle on incidence. Nevertheless, such models are not effective to explain the change on the LIPSS periodicity as the number of pulses is increased. Additionally, we demonstrated the laser-induced oxidation of both materials and the formation of LIPSS on those oxides. Finally, we developed a numerical model based on the Finite Difference Time-Domain method as an attempt to predict the formation and evolution of the patterns that the theoretical models can not. To build the numerical model it is necessary to take into account the actual dielectric properties of the substrate as the characteristics of the pulsed laser. The results are shown at the end of this thesis. En años recientes, el inter ́es en el estudio de la formación de estructuras periódicas inducidas con láser (LIPSS por sus siglas en ingl ́es) ha ido en aumento. Sin embargo, debido a la complejidad de los diversos procesos involucrados, no ha sido posible establecer una teoría que pueda explicar exitosamente la extensa variedad de estructuras obtenidas experimentalmente. En este trabajo se presenta un estudio teórico y experimental de la formación de LIPSS sobre películas delgadas de bismuto y titanio, la fuente de luz que se empleó para hacer las irradiaciones es un láser pulsado de femtosegundos Yb de fibra (Satsuma HP2, Amplitude Systems) que produce pulsos de 270 fs a una longitud de onda central de 1030 nm y con frecuencia de repetición de 1 kHz y 5 kHz. Para determinar los parámetros de irradiación adecuados, se hizo una caracterización del umbral de ablación de cada película. Se propuso un conocido modelo fenomenológico que para determinar los parámetros de irradiación adecuados para la formación de dichas estructuras. Mediante la transformada de Fourier de micrografías ópticas y de SEM se determinó la periodicidad, orientación y distribución angular de las LIPSS. Los resultados indican que los modelos electromagnéticos, basados en la interacción de luz linealmente polarizada con una superficie que exhibe una rugosidad microscópica, son efectivos para predecir la aparición de LIPSS en ambos materiales y su evolución al variar el ángulo de incidencia, sin embargo no son totalmente eficaces para predecir la variación de la periodicidad con el número de pulsos aplicados. Adicionalmente, se demostró la oxidación inducida por láser de ambos materiales y la formación de LIPSS en dichos óxidos, estas LIPSS poseen características que las distinguen de aquellas que son metálicas. Finalmente, se desarrolló un modelo numérico basado en el método de diferencias finitas en el dominio temporal (FDTD) como un esfuerzo para predecir la formación y evolución de los patrones que los modelos teóricos no pudieron explicar completamente. Dicho modelo se construyó tomando en cuenta las propiedades dieléctricas del sustrato irradiado y de las características del láser con el que se lleva a cabo la irradiación. Los resultados se muestran al final de esta tesis. | |
| CICESE | |
| 2021 | |
| Tesis de doctorado | |
| Inglés | |
| Santillán Díaz. J.R. 2021. Femtosecond laser-induced periodic surface structures formation on thin films. Doctoral thesis. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 101 pp. | |
| OPTICA FÍSICA | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Óptica |
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| tesis_José Ricardo Satnitllán Díaz_25_junio_2021.pdf | Versión completa de la tesis | 39.1 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |