Μελέτη υψίσυχνων ελαστικών κυμάτων σε διαστρωματωμένα υλικά μετάλλου/πυριτίου με τη χρήση υπερβραχέων παλμών laser

Abstract

The objective of the current PhD thesis is the generation and detection of high frequency elastic waves in layered Metal/Silicon samples by femtosecond laser pulses. Specifically, in current study with femtosecond laser pulses of central wavelength λ=795nm a detailed study is performed of the thin metal films characteristics in order to produce high frequency and giant elastic waves that propagate inside Si substrate. For this purpose, a pump – probe transient reflectivity experimental setup was developed that Ti/Si and Ag/Si samples were examined, with different metal film thicknesses as well as a theoretical thermomechanical model – based on Extended Two Temperature Model – was also developed for the support of the experimental findings. The experimental and theoretical results of this thesis converge well in the generation of giant and ultrafast elastic waves when Ti is used as the optoelastic transducer.Furthermore, an optical control of the generated elastic waves was performed through the modification of the chirp of the femtosecond laser pulses. The results show the generation of higher elastic waves when negatively chirped laser pulses are used, comparing with positively chirped laser pulses. Additionaly, the theoretical model is further extended in order to include the chirp of the ultrashort laser pulses and the theoretical results converge well with experimental results.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η παραγωγή και η ανίχνευση υψίσυχνων ελαστικών κυμάτων σε διαστρωματωμένα υλικά μετάλλου/πυριτίου με τη χρήση femtosecond παλμών laser. Συγκεκριμένα, στην παρούσα μελέτη με femtosecond παλμούς laser κεντρικού μήκους κύματος λ=795nm, πραγματοποιείται μία λεπτομερής μελέτη των χαρακτηριστικών που δύναται να έχουν τα μεταλλικά υμένια ώστε να παραχθούν υψίσυχνα και ΄΄γιγαντιαία΄΄ ελαστικά κύματα τα οποία στη συνέχεια να διαδοθούν μέσα στο υπόστρωμα πυριτίου (Si). Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε πειραματική διάταξη άντλησης – ελέγχου αλλαγής ανακλαστικότητας με την οποία μελετήθηκαν δείγματα Ti/Si και Ag/Si, με διαφορετικά πάχη μεταλλικών υμενίων, καθώς και ένα θεωρητικό θερμομηχανικό μοντέλο - βασισμένο στο Διευρυμένο Μοντέλο Δύο Θερμοκρασιών - για την υποστήριξη των πειραματικών αποτελεσμάτων. Τα πειραματικά και θεωρητικά αποτελέσματα της διατριβής, συγκλίνουν στο γεγονός δημιουργίας ισχυρών και ταχέων ελαστικών κυμάτων, όταν χρησιμοποιείται Ti σαν οπτοακουστικός μετατροπέας.Επίσης, πραγματοποιείται οπτικός έλεγχος των παραγόμενων ελαστικών κυμάτων διαμέσου της χρονικής αναδιάταξης του φασματικού περιεχομένου (chirp) των femtosecond παλμών laser. Τα αποτελέσματα δείχνουν ισχυρότερα ελαστικά κύματα στην περίπτωση χρήσης παλμών laser αρνητικού chirp συγκριτικά με την περίπτωση χρήσης παλμών θετικού chirp. Επιπλέον, το θεωρητικό μοντέλο διευρύνεται ώστε να συμπεριλάβει και το chirp των υπερβραχέων παλμών laser, με τα αποτελέσματα του να συγκλίνουν με τα πειραματικά.