Laser-induced strain as a functional tool in solids and nanostructures

Abstract

This thesis investigates applications of laser induced strain for creation, precise control and probing of surface deformations and their further applications. The applications include shortening and gating of X-ray pulses at synchrotron facilities, independent control of induced transient thermal grating and standing surface acoustic waves, measurement of periodic surface displacements with sub-angstrom precision, as well as an investigation of laser induced magnetization precession in thin ferromagnetic films. A prerequisite for developing strain-driven applications is the ability to generate and control localized lattice strain on short time- and lengthscales. This prerequisite is developed in this thesis. The main tool for generating strain on short time- and lengthscales are ultrashort laser pulses capable of launching strain waves by means of a rapid expansion due to a sudden temperature rise. Periodic surface deformations are generated using the Transient Grating technique, which deploys overlapping laser beams, resulting in an interference pattern on the sample surface. It is used to generate surface deformations with 1.5 µm period and up to 5 nm surface excursion and control the deformations on sub nanosecond timescales using the Transient Grating technique. This thesis is based on the research that resulted or contributed to the following publications: The experimental deployment and test of a new, improved design of a laser-driven multilayered Bragg-switch at ESRF ID09. It allowed shortening of X-ray pulses from 100 ps to 10 ps with a repetition rate higher than 1 MHz and a low thermal background. The new experimental setup utilizing multiple subsequent transient grating excitation with an independent temporal and spatial phase control, opening a possibility for an independent control of periodic transient thermal surface deformations and induced surface acoustic waves. It was successfully deployed and tested at ESRF ID09 as well. The method based on mathematical modelling of periodic surface displacements and diffraction theory, allowing precise measurements of an absolute amplitude of periodic surface displacements. A study of excitation mechanisms of the magnetization precession in ferromagnetic thin films, which led to the exclusion of pure thermal excitation by means of a change of temperature dependent anisotropy contributions.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage nach Anwendungen der laserinduzierten Oberflächenverformungen als multifunktionale Werkzeuge in der Festkörperphysik. Die untersuchten Anwendungen beinhalten Verkürzung und Selektion der von Synchrotronquellen erzeugten Röntgenpulsen, unabhängige Kontrolle von induzierten Wärmegittern und stehenden akustischen Oberflächenwellen. Weitere Anwendungen sind das Verfahren zur Messung der Amplitude von periodischen Oberflächenverformungen mit einer Präzision besser als ein Ångström und Untersuchung von Anregungsmechanismus der Präzision der Magnetisierung in dünnen Filmen. Die Voraussetzung für die Entwicklung von solchen Werkzeugen ist eine Möglichkeit, die lokalisierten Oberflächenverformungen des Kristallgitters auf kurzen Zeit- und Längenskalen zu generieren und kontrollieren. Das Hauptwerkzeug für die Erzeugung von Oberflächenverformungen eines Kristallgitters auf kurzen Zeit- und Längenskalen sind die ultrakurzen Laserpulse, die in der Lage sind, akustische Oberflächenwellen durch eine schnelle Expansion eines Kristallgitters zu erzeugen. Die periodischen Oberflächenverformungen können durch die Transient Grating (TG) Methode, bei der zwei Laserstrahlen an der Oberfläche eines Festkörpers interferieren, erzeugt werden. Mit der TG Methode wurden Oberflächenverformungen mit der Periode von 1,5 µm und einer Extrusion der Oberfläche von 5 nm erzeugt und auf Zeitskalen unterhalb einer Nanosekunde manipuliert. Diese Arbeit ist das Ergebnis folgender Forschungsarbeit: ein experimenteller Aufbau und Test von neuartigen mehrschichtigen Bragg-Schaltern an ESRF ID09. Sie erlauben Röntgenpulse von 100 ps auf 10 ps mit einer Wiederholrate von über 1 MHz und einem geringen Wärmehintergrund zu verkürzen. Ein neuer experimenteller Aufbau, der mehrere nacheinander folgende TG-Anregungen verwendet, um eine unabhängige Kontrolle von akustischen Oberflächenwellen und dem statischen Wärmegitter zu ermöglichen. Dieser Aufbau war ebenfalls an ESRF ID09 getestet. Ein Verfahren, welches ein mathematisches Modell der periodischen Oberflächenverformungen und die Beugungstheorie verwendet, und dabei eine Messung der absoluten Amplitude der angeregten Oberflächenverformungen erlaubt. Eine Untersuchung der Anregungsmechanismen der ferromagnetischen Präzision in dünnen Pt/Co/Pt Filmen, welche eine Anregung allein durch die Änderung der Temperatur der Oberfläche ausschließt.