Photo-physical mechanism of near-IR femtosecond laser-induced refractive-index change in PMMA

光学 折射率 飞秒 材料科学 激光器 激光束 光电子学 物理
作者
S. I. Kudryashov,Yulia Gulina,П. А. Данилов,Nikita Smirnov,Elena Rimskaya,George Krasin,И. Н. Сараева,Svetlana Shelygina,Alexey Rupasov,K.B. Pershin,А. Yu. Tsygankov,Alexey Gorevoy
出处
期刊:Optics Letters [Optica Publishing Group]
卷期号:50 (1): 129-129 被引量:2
标识
DOI:10.1364/ol.547650
摘要

Micromodification in bulk undoped polymethylmethacrylate (PMMA) by single focused (numerical aperture (NA) = 0.25), 1030-nm 250-fs laser pump pulses was explored by pump self-transmittance; optical, 3D-scanning confocal photoluminescence (PL); Raman micro-spectroscopy; and optical polarimetric and interferometric microscopy. Starting from the threshold pulse energy E th = 0.4 ± 0.1 μJ (peak laser intensity I th ≈ 8 TW/cm 2 ), visible bright micro-voxels emerged inside PMMA at the 100 ÷ 300-μm depth, with their PL-acquired dimensions increasing versus pulse energy. Optical phase change was interferometrically measured in the voxels at the 532-nm wavelength, exhibiting versus the pulse energy the isotropic refractive index increase Δ n = +(4 ÷ 10) × 10 −4 , and a new 1640-cm −1 peak of C=C vibrations emerged in the Raman spectra. Pump self-transmittance measurements demonstrated the predominating eight-photon absorption (excited energy level ≈ 9.7 eV, coefficient β 8 ≈ 3 × 10 −5 cm 13 /TW 7 ) at the sub-threshold I < I th , implying photoionization of the PMMA chains (the ionization potential of MMA molecule ≈ 9.7 eV). At higher peak intensities I > I th , inverse brems-strahlung absorption (coefficient ∼10 3 cm −1 ) of near-critical micro-plasma (density >5 × 10 20 cm −3 ) predominates over the multi-photon PMMA absorption, providing the bulk energy density >6 × 10 2 J/cm 3 and the temperature rise Δ T > 2.2 × 10 2 K, which are sufficient for PMMA (de)polymerization near the equilibrium bulk temperature T P ≈ 220°C. These results uncover the quantitative mechanism of fs-laser modification of PMMA, justifying the previous qualitative findings and enabling controllable energy deposition during fs-laser PMMA micromachining of diverse functional applications.
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