Die Modellierung dieses komplexen, multiphysikalischen und multiskaligen Phänomens, die experimentell validiert wurde, kann nun genutzt werden, um die Interaktion zwischen Laser und Materie zu beherrschen, mit dem Ziel, die Materialbearbeitung zu optimieren oder sie durch dreidimensionale Strukturen zu funktionalisieren. Diese Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review B veröffentlicht.
Femtosekunden-Laserpulse ermöglichen es, lokal eine starke Interaktion zwischen Licht und Materie zu erzeugen. Ein komplexer, multiphysikalischer und multiskaliger Prozess, da verschiedene physikalische Vorgänge über einen erweiterten Zeitraum ablaufen, von Hunderten von Femtosekunden (10-15s) bis zu Nanosekunden (10-9s). Ein besseres Verständnis dieses Phänomens könnte helfen, zahlreiche Verfahren zur Bearbeitung und Strukturierung von Materialien mit Femtosekundenlasern zu verbessern, von denen einige bereits industriell genutzt werden.
Ein Team des Labors für Laser, Plasmen und photonische Prozesse (LP3, Aix-Marseille Université/CNRS) hat ein experimentelles Gerät entwickelt, das darauf ausgelegt ist, quantitative Informationen über die Interaktion eines Femtosekundenlasers mit Glas (amorphes Siliziumdioxid) über alle Zeitskalen des Phänomens hinweg zu sammeln.
Zwei Laserstrahlen werden verwendet, einer zur Erzeugung der Interaktion mit dem Material, der andere zur Durchführung optischer Messungen. Die Transmissionsmessungen liefern die Menge der vom Material absorbierten Laserenergie, während Biréfringenzmessungen – eine Eigenschaft, die die Anisotropie des Materials charakterisiert – Aufschluss über durch die lokal induzierten hohen Drücke verursachte Spannungen geben.
Ein Ultrakurzpuls-Laser wird im Inneren eines Glases (SiO2) fokussiert (obere Abbildung). Dabei kommt es zur Photoionisation des Materials, die in der transienten optischen Transmissionsmessung (unten links) sichtbar wird. Die Energieentspannung erfolgt teilweise durch die Emission einer Spannungswelle, die durch die transiente Biréfringenzmessung nachgewiesen wird (unten rechts).
© LP3 (CNRS/AMU)
Ein multiphysikalisches Modell der Interaktion zwischen Laser und Materie wurde entwickelt, das die Ausbreitung der Laserpulse, die Dynamik der durch Photoionisation des Materials erzeugten Elektronen sowie die Reaktion des Materials auf die aufgenommene Energie berücksichtigt. Die mit diesem Modell, das experimentell validiert wurde, durchgeführten Simulationen ermöglichten es, die zeitliche Entwicklung der lokalen Eigenschaften des Materials während des Interaktionsprozesses vorherzusagen.
Die Forscher haben dabei den maximalen lokalen Druck, der durch den intensiven und ultrakurzen Laserimpuls erzeugt wird (>10 GPa), sowie die erreichte Temperatur (>10.000 K) bewertet. Darüber hinaus ergab die Studie, dass im Gegensatz zu weit verbreiteten Annahmen durch die Laserinteraktion nur eine Stoßwelle mit geringer Amplitude und kurzer Lebensdauer (<500 ps) erzeugt wird. Nur ein winziger Bruchteil (2 %) der absorbierten Laserenergie trägt zur Erzeugung dieser Welle bei.
Das Vorliegen eines validierten Modells, das den gesamten Interaktionsprozess abdeckt, sollte nun ermöglichen, die Interaktion zwischen Laser und Materie besser zu steuern, um zum Beispiel eine gewünschte Strukturierung zu erreichen oder das Auftreten von Defekten bei der Materialbearbeitung mit Lasern (Schneiden, Markieren, Schweißen...) zu verhindern. Das LP3-Team hat ein neues von der ANR finanziertes Projekt Espresso gestartet, dessen Ziel es ist, die Möglichkeiten der Funktionalisierung von Siliziumdioxid zu erforschen, indem lokal seine optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften verändert werden.
Referenzen:
Quantitative assessment of femtosecond laser-induced stress waves in fused silica.
Olga Koritsoglou, Guillaume Duchateau, Olivier Utéza, und Alexandros Mouskeftaras.
Physical Review B, veröffentlicht am 26. August 2024.
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.054112
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