Regenerativer Verstärker für Femtosekundenlaser
Final Report Abstract
Untersuchung der Abtragsrate von Eisen in verschiedenen Flüssigkeiten mit ultrakurzen Laserpulsen: Die Vorteile des Ultrakurzpulslasers als Werkzeug können auch zur Bearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeiten verwendet werden. Zusätzlich können durch die komplexe Wechselwirkung während der Bearbeitung mit der Flüssigkeit zusätzliche Oberflächenmodifikationen im Vergleich zur Bearbeitung in Gasen am Werkstück vorgenommen werden. Dazu müssen jedoch zunächst grundlegende Fragen über die Wechselwirkung zwischen Femtosekundenlaserabtrag und Flüssigkeit geklärt werden. Dazu wurden Abtragsversuche an reinem Eisen (99,5 %) in den verschiedenen Flüssigkeiten Wasser, Methanol, Ethanol, Aceton und Toluol durchgeführt. Diese Flüssigkeiten sind handelsüblich und werden in vielen technischen Prozessen verwendet. Es wurde die Abtragsrate, Plasmaemission und Absorption des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Fluenz im Bereich von 0,2 bis 5 J/cm2 gemessen. Dabei konnte festgestellt werden, dass der Abtrag in Flüssigkeiten ähnlichen Gesetzen wie dem Abtrag in Gasen folgt, jedoch nach der Energieeinkopplung maßgeblich beeinflusst wird. Die Untersuchung der Ursachen ist derzeit noch Gegenstand weiterer Experimente und Simulationen. Mögliche Erklärungen sind Aufladungseffekte und/oder Elektronentransfer durch das Metall-Flüssigkeits-Interface. Untersuchung der Nanopartikelerzeugung aus einem reinem Eisentarget in verschiedenen Flüssigkeiten mit ultrakurzen Laserpulsen: Eine Methode zur Herstellung einer Vielfalt an verschiedenen Nanopartikeln ist der Laserabtrag in Flüssigkeiten (LAF). Ein Targetmaterial wird in eine optisch transparente Flüssigkeit eingebracht und durch einen hochintensiven Laserstrahl verdampft. Aufgrund der Wechselwirkung mit der Flüssigkeit rekondensiert der Materialdampf zu Nanopartikeln direkt in die Flüssigkeit. Im Gegensatz zu chemischen Herstellungsmethoden, müssen beim LAF keine Prekursoren und Liganden verwendet werden um das Wachstum der Nanopartikel zu steuern. Die hergestellten Partikel besitzen folglich eine „reine“ Oberfläche, die z.B. zu einer erhöhten chemischen Reaktivität führt. Hauptaugenmerkt von LAF ist jedoch die Vielzahl der verwendbaren Prozess- und Laserparameter (Targetmaterial, Flüssigkeit, Temperatur, Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsenergie, Abtragsstrategie), um eine große Bandbreite von Nanomaterialien mit verschiedensten Eigenschaften herstellen zu können. Eine Herausforderung ist die Komplexität der Prozesse, die während der Herstellung ablaufen (Laser-Target- Wechselwirkung, Plasmabildung, Verdampfung, Bildung einer Kavitationsblase, chemische Reaktionen). Diese führen dazu, dass trotz intensiver Forschung die grundlegenden Mechanismen immer noch nicht vollständig verstanden sind und daher Gegenstand aktueller Untersuchungen sind. Es wurde untersucht, in wie weit die verwendete Flüssigkeit die physikalischen und chemischen Eigenschaften der durch fs- Laserabtrag von Eisen hergestellten Nanopartikel beeinflusst. Dabei konnte festgestellt werden, dass aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen Metalldampf und Flüssigkeit, Flüssigkeitsmoleküle in die Nanopartikel aufgenommen werden und zu einer Legierungsbildung beitragen. Weiterhin führen die schnellen Abkühlraten der ultrakurzpuls Laserbearbeitung zu polykristallinen oder sogar amorphen Nanopartikeln. Durch die unterschiedliche Zusammensetzung können die magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel gezielt beeinflusst werden. Laser Schock-Härten: Die hohe Intensität fokussierter Laserpulse führt in der Nähe des Fokuspunktes zu einer Plasmabildung in Flüssigkeiten, Festkörpern und Gasen. Das schnell expandierende Plasma erzeugt eine Druckwelle, die in der Lage ist, Metall in der unmittelbaren Umgebung zu modifizieren. Plastische Verformung, Versetzungen und Kornverkleinerung führen zu erhöhter Eigenspannung an der Oberfläche. Diese erhöht die mechanische Härte und die Ermüdungsgrenzbelastung. Die Druckwelle, die von ultrakurzen Pulsen erzeugt werden kann, ist theoretisch um ein vielfaches höher als die der konventionell eingesetzten Nanosekundenlaser. Aufgrund der kleineren Pulsenergie ist diese jedoch lokal begrenzt und klingt vergleichsweise schnell ab. Aus den Ergebnissen dieser Forschung werden sowohl theoretische Grenzwerte für die effektive Laser-Schock- Härtung gewonnen als auch die Anwendung für die Funktionalisierung dünner Schichten und Mikrosysteme untersucht. Modifikation von Oxid-Dünnschichtsystemen: Im Rahmen eines im SPP 1839 „Tailored Disorder“ DFG-geförderten Projekts wird am Spitfire Ace Ultrakurzpulslaser die potentielle Modifikation von aufgedampften Metalloxid-Dünnschichtsystemen untersucht. Ziel ist die Änderung der optischen, elektrischen oder mechanischen Eigenschaften aufgrund von induzierter Unordnung. Die Erzeugung von komplexen Strukturen an Grenzschichten unterschiedlicher Oxide in Form von quasiperiodischen Gräben (Ripples) kombiniert mit Säulen hohen Aspektverhältnissen konnte demonstriert werden. Amorph abgeschiedene Schichten können auf kleinster Fläche mit UKP-Pulsen rekristallisiert werden und die Effizienz von photoelektrochemischen Zellen zur Wasserstoffspaltung konnte durch die Oberflächenvorbehandlung durch den Laser um mehr als 50% gesteigert werden. Das Projekt läuft in Kooperation mit der Universität zu Köln. Modifikation von Graphen: Im Rahmen des durch das BMBF (m-ERA.Net) geförderten Projektes CMOT „Investigation and tuning of graphene electrodes for solution-processable metal oxide thin-film transistors in the area of low-cost electronics“ wurde mit dem fs-Laser der selektive Abtrag von Monolagen Graphen (MLG) auf verschiedenen Substraten durchgeführt. Beispielsweise konnte MLG auf Silizium-Substraten und Quarz-Substraten abgetragen werden, ohne das Substrat zu beschädigen. Diese Methode eignet sich daher für die Strukturierung von Graphen, z.B. zur Anwendung als Elektroden.
Publications
- Influence of the liquid on femtosecond laser ablation of iron. Physics Procedia 2016, 83, 114–122
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Kasischke, M.; Maragkaki, S.; Subasi, E.; Ostendorf, A.
- Impact of liquid environment on femtosecond laser ablation. Applied Physics A 2017, 123 (11), 674_1–674_7
Kanitz, A.; Hoppius, J.; Fiebrandt, M.; Awakowicz, P.; Esen, C.; Ostendorf, A.; Gurevich, E. L.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-017-1280-z) - Synthesis of magnetic nanoparticles by ultrashort pulsed laser ablation of iron in different liquids. ChemPhysChem 2017, 18 (9), 1155–116
Kanitz, A.; Hoppius, J.; del Mar Sanz, M.; Maicas, M.; Ostendorf, A.; Gurevich, E. L.
(See online at https://doi.org/10.1002/cphc.201601252) - On femtosecond laser shock peening of stainless steel AISI 316, Applied Surface Science, Vol. 435, 2018
Hoppius, J.S.; Kukreja, L.M.; Knyazeva,M.; Pöhl F.; Walther, F.; Ostendorf, A.; Gurevich, E.L.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.11.145)
