Physikalische Untersuchung des selbstinduzierten Fokusversatzes während der Photodisruption mit ultrakurzen Laserpulsen
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die physikalische Untersuchung der Entstehung stufenartiger Strukturen in optisch transparenten Medien durch kurzgepulste Laserstrahlung sowie die Spezifikation entsprechender Parameter zur Vermeidung der selbigen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Für den Einsatzbereich im biologischen Gewebe wurde mit HEMA als Modell unterschiedlichen Wassergehalts experimentiert. Zur Abdeckung des Bereiches der transparenten Werkstoffe konnten mehrere Gläser und Polymere bearbeitet werden, um eventuelle materialspezifische Zusammenhänge aufzeigen zu können. Für die genannten Materialien wurden ausführliche Parameterstudien durchgeführt, bei denen der Einfluss der Pulsenergie und des Pulsabstandes auf die Entstehung der stufenartigen Strukturen untersucht wurde. Materialübergreifend zeigte sich, dass insbesondere räumlich kleine Pulsabstände im Bereich <50 nm zu Stufenhöhen von mehreren hundert Nanometern führen können. Die tatsächliche Höhe des Versatzes hängt zusätzlich von der applizierten Energie ab. Ein Pulsabstand von >100 nm führte zu einer deutlichen Verringerung des axialen Versatzes. Bis schließlich ab einem Abstand von >400 nm (abhängig vom Material und der Pulsenergie) kein Fokusversatz mehr auftrat. Mit einer alleinigen Verringerung der Pulsenergie konnte das Auftreten des axialen Fokusversatzes nicht vermieden werden. Der Effekt setzte sich bis zu der applizierten Energie fort, ab der der Schwellwert für den optischen Durchbruch unterschritten wird. Eine Erklärung für das Auftreten des oben genannten Effektes ergibt sich dadurch, dass die applizierte Energie des Vorgängerpulses das Material modifiziert, wodurch der Schwellwert für den optischen Durchbruch gesenkt und der Brechungsindex lokal verändert wird. Dadurch kommt es über der eigentlichen Fokusebene zu einem Durchbruch. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis der Strahldurchmesser am Ort des neuen Durchbruchs nicht klein genug ist bzw. wo die für den Durchbruch benötigte Energiedichte nicht erreicht wird. Diese Theorie wurde mit Hilfe einer Simulation verifiziert. Dabei wurden die umgebenden Materialparameter nach jedem applizierten Puls modifiziert, wodurch der Folgepuls früher zum Durchbruch führte. Die Simulationsergebnisse passten zu den erhaltenen Messdaten. Um zu verstehen, wodurch diese Änderung der optischen Eigenschaften in HEMA hervorgerufen wird, wurde als zusätzliches Arbeitspaket das modifizierte Material mittels Raman-Spektroskopie untersucht. Durch diese Untersuchung zeigte sich eine grundlegende chemische Änderung im modifizierten Bereich. Wie diese im Detail zu einer Verringerung der Schwellenergie führte, konnte im Rahmen des Projekts allerdings nicht endgültig geklärt werden. Mit Hilfe einer Kamera zur Phasenanalyse und einem modifizierten Laseraufbau konnte zudem die zeitliche Entwicklung der Brechungsindexmodifikation um den applizieren Laserpuls untersucht werden. Diese Messung ergab ein Aufschwingen und darauffolgendes Abklingen der Brechungsindexerhöhung. Der höchste Brechungsindex wird demnach im Bereich <1 ns – 100 ns nach der Pulsapplikation erreicht. Für Systeme mit einer sehr hohen Repetitionsrate könnte der Folgepuls gerade in dieses Maximum fallen, was den axialen Versatz zusätzlich beeinflussen würde. Weitere Untersuchungen an anderen transparenten Werkstoffen führten zu ähnlichen Ergebnissen, wie sie in der Applikation in HEMA ermittelt wurden. Lediglich die Höhe des Versatzes unterschied sich bei den Schnitten in Glas deutlich zu denen in HEMA. Dieser Unterschied war dadurch zu erklären, dass beim Schneiden in Glas eine deutlich höhere Energiedichte notwendig war, um den optischen Durchbruch zu erzeugen. Die durchgeführten Untersuchungen schlossen mit der Definition eines Parameterraumes ab, in dem dieser Effekt auftritt und gezeigt werden konnte, dass der primäre Einflussparameter auf diese Struktur der räumliche Pulsabstand war.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Time Resolved Digital-Holographic Analysis of Femtosecond Laser- Induced Photodisruption; Proc. of SPIE 2016, Vol. 9706 97060Q-1
Saerchen E, Wenzel J, Antonopoulos G, Krueger A, Lubatschowski H, Ripken T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2211013) - „Entstehung fs-Laser-induzierter stufenartiger Strukturen aufgrund von Laser- Material-Wechselwirkungen“, Fakultät für Mathematik und Physik der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2017
Emanuel Särchen
