Untersuchungen von Intrapulsdynamiken und ultraschnellem Energietransfer in Quarzglas: eine Route zur smarten Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern

• Antragsteller: Dr. Tamas Nagy
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431657459

Mikro- und Nanotechnologien sind stark abhängig von der Entwicklung präziser und kontrollierbarer Prozesswerkzeuge, die in der Lage sind Materialien mit höchster Präzision zu strukturieren. Um die Strukturierung zu optimieren hat sich das Konzept der intelligenten Lasermaterialbearbeitung entwickelt, welches auf dem raumzeitlichen Design der Bestrahlung in Bezug auf die Reaktion des Materials basiert. Die Festlegung von fortgeschrittenen Bearbeitungsstrategien verlangt nach dem Verständnis der primären elektronischen Prozesse, die die Deposition der Laserenergie sowie die Relaxationskanäle bestimmen, welche zu einer Modifikation des Materials führen. Dennoch sind zurzeit, insbesondere für die Dynamik des Materials während der Anregungsphase, nur wenige Informationen verfügbar. Wir zielen in diesem Projekt in Anbetracht ihrer Nichtlinearitäten, ihrer fragilen Struktur und ihrem Potential für 3D Design auf Funktionsgläser ab.Wir schlagen eine zeitaufgelöste Analyse der elektronischen und strukturellen Materialentwicklung in Quarzglas während der Bestrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen vor. Ziel ist es, die primären Pfade der Energieeinkopplung und -deposition auf der Zeitskala der verwendeten Pulse zu untersuchen. Die Wahl von Quarzglas ist durch das technologische Interesse und die Vielfalt an verfügbarem Wissen über dieses Substrat bedingt. Wir zielen auf zwei Zeitentwicklungen ab: Bandkantendynamik und Energiekopplung. Die experimentellen Untersuchungen beinhalten neue Verfahren basierend auf zeitaufgelöster spektraler Interferometrie mit zwei konkreten Ansätzen. Mittels ultraschneller VUV–Interferometrie nahe der Absorptionskante streben wir an die Dynamik der optischen Bandkante während der Bestrahlung mit einem 50 fs Laserpuls sichtbar zu machen. Die kurze Pulsdauer des VUV Probe Pulses (sub-4 fs) gewährt Zugriff auf intrapuls-Dynamiken von Effekten, die durch das Feld und die elektronische Population induziert werden. Diese Information können existierende Szenarien der Ausbildung eines Elektron-Loch Plasmas erweitern. Zweitens wird die Dynamik des Energieübertrags untersucht werden. Durch Verwendung von zeitaufgelöster Schwingungsspektroskopie eines Markers, der in der Quarzglas-Matrix eingebettet ist (Hydroxylgruppen) und quantitativer Plasma-Bildgebung werden wir die Korrelation der zwei Energietransfermechanismen (starke molekulare Polarisationskopplung und Stoß-Schwingungsaktivierung) veranschaulichen. Diese Erkenntnisse sind unentbehrlich um intelligente Konzepte für die Energiedeposition und Materialbearbeitung zu entwickeln.Die Experimente werden ergänzt durch die Simulation von photoelektronischen Prozessen und elektronischer Strukturentwicklung auf Quantenebene mittels ab-initio Dichtefunktionaltheorie (DFT) und zeitabhängiger DFT, mit dem Ziel das Verständnis von physikalischen Prozessen zu verbessern, welche in aktuellen Simulationsansätzen nicht berücksichtigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr. Alexandre Mermillod-Blondin
• Kooperationspartner: Professor Jean-Philippe Colombier, Ph.D.; Razvan Stoian, Ph.D.