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.

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. / 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.

The development of optical sources and components suitable for the mid-infrared is crucial for applications in this spectral range to reach the maturity level of their counterparts in the visible and near-infrared spectral regimes. The recent commercialization of quantum cascade lasers is leading to further interest in this spectral range. Wideband mid-infrared coherent sources, such as supercontinuum generation, have yet to be fully developed. A mid-infrared supercontinuum source would allow for unique applications in spectroscopy and sensing. Over the last decade, it has been shown that high-index confinement in highly nonlinear fibers pumped with high-peak-power pulses is an excellent approach to supercontinuum generation in the visible and near-infrared. Nonlinear waveguides such as fibers offer an obvious advantage in increasing the nonlinear interaction length maintained with a small cross section. In addition, fiber systems do not require optical alignment and are mechanically stable and robust with respect to the environmental changes. These properties have made fiber systems unique in applications where they are implemented in a harsh and unstable environment. In extending this approach into the mid-infrared, I have used chalcogenide glass fibers. Chalcogenide glasses have several attractive features for this application: they have high refractive indices for high optical-confinement, have a wide transparency window in the mid-infrared, and have a few orders-of-magnitude higher nonlinearity than silica glass and other mid-IR glasses. Producing chalcogenide glass fiber tapers offer, furthermore, the possibility of dispersion control and stronger field confinement and hence higher nonlinearity, desired for supercontinuum generation.

Seit mehr als einem Jahrhundert ist ein wachsendes wissenschaftliches Interesse an Tropfen und den Vorgängen bei deren Aufprall auf die verschiedensten Substrate zu verzeichnen, wohl auch durch die Fotografien von Worthington (1908) ausgelöst. Inzwischen wurden viele Erkenntnisse durch große Fortschritte bei der experimentellen Untersuchung (z.B. mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen) und durch theoretische und computergestützte Untersuchung (z.B. durch skalenfreie und numerische Modellierung) gewonnen. Trotzdem bleibt durch die Vielfältigkeit und Komplexität der Phänomene während des Tropfenaufpralls sowie wegen der ständig erweiterten Anwendungsbereiche dieses Forschungsgebiet hochaktuell. Insbesondere sehr kleine und gleichzeitig sehr schnelle Tropfen (Tropfendurchmesser 10µm bis 100µm, Tropfengeschwindigkeit 10m/s bis 100m/s) kommen in vielen modernen Anwendungen vor (z.B. Verbrennungsmotoren, Tintenstrahldrucker, Reinigung von Oberflächen). In diesem wichtigen, aber für Untersuchungen schwer zugänglichen Parameterbereich gibt es immer noch offene Fragen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit diesen schnellen Mikrotropfen in Bezug auf ihre Herstellung und den Aufprallvorgang auf ein festes, trockenes oder benetztes Substrat. Zunächst wird eine Methode zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitssprays realisiert, welche auf dem durch Ultraschall gesteuerten Plateau-Rayleigh-Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls beruht. Sie ermöglicht es, sowohl Tropfengröße als auch –geschwindigkeit präzise und mit hoher Reproduzierbarkeit über den gesamten oben angegebenen Parameterbereich einzustellen. Durch gezielte Manipulation eines Einzeltropfens durch elektrische Felder wird anschließend der Tropfenaufprall auf Substrate unterschiedlicher Benetzbarkeit mit sehr hoher zeitlicher Auflösung (ca. 100 Mio. Bilder pro Sekunde) bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung (< 1µm) untersucht. Es zeigt sich, dass bekannte Modelle für langsamere und größere Tropfen im Millimeterbereich auch für schnelle Mikrotropfen Gültigkeit behalten. Somit ist bei gleichen dimensionslosen Kennzahlen (z.B. Reynolds-Zahl, Weber-Zahl, Ohnesorge-Zahl) eine skalenfreie Beschreibung des Tropfenaufpralls möglich. Schließlich wird die Methode zur Tropfenerzeugung auf einen für Anwendungen in der Reinigung relevanten Fall übertragen. Hierbei geht es um den Tropfenaufprall auf ein von einem Flüssigkeitsfilm überströmten Substrat. Es werden die während des Auftreffvorgangs auftretenden Geschwindigkeiten in der sich bildenden radialen Strömung in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern bestimmt. Aus den Ergebnissen lassen sich Aussagen über die zu erwartende Reinigungswirkung durch derartige Tropfen und den Einfluss der Prozessparameter treffen.