Ultrafast dynamics of melting and ablation at large laser intensities (PDF)

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der ultraschnellen Abtrags- und Schmelzphänomene von Festkörpern bei Anregung mit Laserstrahlung großer Intensität. Fundamentale Aspekte des laserinduzierten Abtrags von Reinmetallen (Au, Al, Cu, Fe, W) mit Ultrakurzpuls-Laserstrahlung wie z.B. Laser-Materie-Wechselwirkung, Plasmabildung, Verdampfung und Schmelzdynamik wurden untersucht. Darüber hinaus wurde Schmelzen und Schweißen von technischem Borosilikatglas mittels hochrepetierender Ultrakurzpuls-Laserstrahlung untersucht.

Für Untersuchungen der transienten laserinduzierten Vorgänge auf unterschiedlichen Zeitskalen wurden neuartige experimentelle Verfahren entwickelt und eingesetzt. Pumpprobe Photographie wurde für zeitaufgelöste Messungen auf einem erweiterten zeitlichen Detektionsbereich bis ca. 2 Mikrosekunden mit Sub-Pikosekunden Auflösung realisiert. Für Detektion von transienten Brechungsindexmodifikationen und Morphologieänderungen wurde ein neuartiges, zeitaufgelöstes Verfahren zur quantitativen Phasenmikroskopie (TQPm) entwickelt.

Die geometrischen und zeitlichen Profile der eingesetzten Laserstrahlung großer Intensität wurden beim Abtragen von Metallen untersucht. Aufheizung des Materials bedingt durch spontane verstärkte Emission mit Pulsdauer im Nanosekundenbereich führt zu einem materialabhängigen Temperaturanstieg von mehreren hundert Kelvin und wurde numerisch untersucht.

Zeitaufgelöste Schattenphotographie und quantitative Messungen des Abtragsvolumens von Metallen wurden in unterschiedlichen Umgebungen durchgeführt. Im untersuchten zeitlichen Detektionsbereich kann die beobachtete Abtragsdynamik in mindestens vier charakteristischen Zeitregimes klassifiziert werden: Ausbreitung von dichtem Materialdampf und Plasma, Verdampfung aufgrund der Nukleationseffekte, Abtrag in Form von flüssigen Schmelzstrahlen und Erstarrung. Basierend auf experimentellen Ergebnissen wurde ein qualitatives Modell für laserinduzierten Abtrag von Metallen bei großen Strahlungsintensitäten aufgestellt, welches bedeutende Unterschiede zum Abtragen bei schwellennahen Intensitäten aufweist. Insbesondere sind physikalische Vorgänge die im Zusammenhang mit Materieüberhitzung stehen wie z.B. Phasenexplosion und “boiling crisis”, als entscheidende Abtragsphänomene suggeriert worden.

Laserinduziertes Schmelzen von technischem Borosilikatglas mit hochrepetierender Ultrakurzpuls-Laserstrahlung wurde mittels TQPm zeitaufgelöst untersucht. Experimentelle Ergebnisse weisen transiente Brechungsindexmodifikationen auf welche auf Ionisationsprozesse und Verdichtung der Materie zurückzuführen sind. Als eine wichtige Anwendung dieser Prozesse wurde das Mikroschweißen von dünnen Glas- und Silizium-Platten demonstriert. Beim Schmelzen von Material an Substrat-Grenzflächen können konsistente Schweißnähte im Mikrometerbereich erzeugt werden.