Untersuchungen von Intrapulsdynamiken und ultraschnellem Energietransfer in Quarzglas: eine Route zur smarten Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Intrapuls-Dynamiken im Silicaglas entschlüsseln für intelligentes ultraschnelles Lasermaterialbearbeiten. Das INTRALAS-Projekt hatte zum Ziel, Werkzeuge für die Materialbearbeitung grundlegend zu verbessern, indem ultraschnelle Laserstrukturierung genutzt wird. Diese Technik ist essenziell für den Fortschritt in der nanoskaligen 3D-Glasbearbeitung. Durch die Optimierung von Ausbeute und Skalierbarkeit sind intelligente Verarbeitungsstrategien entstanden, bei denen ein raumzeitlich gestalteter Laserstrahl an die Materialantwort angepasst wird. Ein tiefes Verständnis der primären elektronischen Prozesse der Energieabsorption sowie der Relaxationspfade für strukturelle Modifikationen ist dabei entscheidend. Besonders wichtig ist die Kontrolle der Abfolge dieser Prozesse während der Bestrahlung – also innerhalb eines einzelnen Laserpulses (intrapuls). Unser Ziel war es, die elektronischen Intrapuls-Prozesse und die Dynamik zwischen Elektronen und der Matrix während der Anregungsphase zu definieren. Hierfür wurden zeitaufgelöste spektrale Interferometrie und Schwingungsspektroskopie mit zeitabhängigen ab-initio-Simulationen (DFT) kombiniert. Innovative VUV-nahe Kanten-Sonden mit Femtosekunden-Zeitauflösung sowie Berechnungen zu Elektronenschildungseffekten und IR-Spektroskopie matrixspezifischer Marker ermöglichten den Zugang zu Bandlückendynamiken und der Kopplung der Energie an die Materialmatrix. Diese Erkenntnisse sind zentrale Bausteine für intelligente Verarbeitungsstrategien und ebnen den Weg für bedeutende Fortschritte in der Fertigungstechnik und der Entwicklung neuartiger Materialeigenschaften. Innovative Techniken zur Untersuchung von Laser-Material-Wechselwirkungen. Zur Erreichung der Projektziele wurde eine Kombination modernster Methoden und Technologien eingesetzt. Die Forschung nutzte zeitaufgelöste spektrale Interferometrie und Schwingungsspektroskopie in Verbindung mit zeitabhängigen ab-initio-DFT-Simulationen. Diese Herangehensweise ermöglichte eine detaillierte Analyse der intrapuls-elektronischen Prozesse sowie der Dynamik zwischen Elektronen und Materialmatrix. Zusätzlich kamen innovative Sonden im VUV-Bereich mit Femtosekunden-Zeitauflösung zum Einsatz, zusammen mit Berechnungen zu Elektronenschildungseffekten und IR-Spektroskopie zur Analyse matrixspezifischer Marker. Diese Methoden lieferten entscheidende Einblicke in die Dynamik der Bandlücke und die Energiekopplung innerhalb der Matrix – zentrale Voraussetzungen für intelligente, materialangepasste Bearbeitungsstrategien. Zentrale Projektergebnisse. Das INTRALAS-Projekt führte zu mehreren bedeutenden Ergebnissen, darunter neue Erkenntnisse über ultraschnelle Laser-Material-Wechselwirkungen und die Entwicklung fortschrittlicher Verarbeitungstechniken für Glas im Nanomaßstab. Die Forschung ermöglichte neue Anwendungen in der Präzisionsfertigung und Materialwissenschaft. Internationale Partnerschaften wurden aufgebaut, die zu weiteren Kooperationen, neuen Verträgen und potenziellen Start-ups führen können. Die Ergebnisse des Projekts haben den Grundstein für zukünftige Innovationen im Bereich der intelligenten Materialbearbeitung gelegt und stärken die Wettbewerbsfähigkeit in verwandten Industriezweigen. Die Forschung im Rahmen von INTRALAS hat zu mehreren hochkarätigen Veröffentlichungen geführt, die Durchbrüche im Bereich der ultraschnellen Laserstrukturierung und nanoskaligen Materialbearbeitung dokumentieren. Diese Arbeiten erweitern sowohl das wissenschaftliche Verständnis als auch die praktischen Anwendungsfelder in der Materialwissenschaft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Full Explicit Numerical Modeling in Time-Domain for Nonlinear Electromagnetics Simulations in Ultrafast Laser Nanostructuring. Applied Sciences, 11(16), 7429.
Moreno, Enrique; Nguyen, Huu Dat; Stoian, Razvan & Colombier, Jean-Philippe
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French Photonics Days, Saint-Etienne, France Octobre (2022). Structuration des surfaces par laser à des échelles extrêmes
J.P. Colombier
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Laser’AP, Laser et Applications, Semur-en-Auxois, France Octobre (2022). Modélisation de l’interaction laser ultrabref-matière
J.P. Colombier
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Laser’AP, Laser et Applications, Semur-en-Auxois, France Octobre (2022). Structuration de surface par laser de l’excitation à son auto-organisation
J.P. Colombier
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Ultrafast bandgap narrowing and cohesion loss of photoexcited fused silica. The Journal of Chemical Physics, 156(22).
Tsaturyan, Arshak; Kachan, Elena; Stoian, Razvan & Colombier, Jean-Philippe
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44th PIERS (PhotonIcs and Electromagnetics Research Symposium) July (2023), Prague, Czech Republic, Polarization and complexity effects on ultrafast laser-induced nanoscale surface structuring. [Invited]
J.P.Colombier, E. Moreno, A. Rudenko & V. Fedorov
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First-principles study of ultrafast bandgap dynamics in laser-excited α-quartz. The European Physical Journal Special Topics, 232(13), 2241-2245.
Kachan, Elena; Tsaturyan, Arshak; Stoian, Razvan & Colombier, Jean-Philippe
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Journée Thématique Micro/Nano-structuration par laser, Rennes, France Septembre, (2023). Organisation spontanée à l’échelle nanométrique induite par impulsions laser ultrabrèves
J.P. Colombier
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Micromachining of Transparent Solids with Few-Cycle Laser Pulses. 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 1-1. IEEE.
Andrade, José R.C.; Sneftrup, Peter; de Michele, Vincenzo; Rammelt, Laura; Jürgens, Peter; Vrakking, Marc; Nagy, Tamas & Mermillod-Blondin, Alexandre
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Procédés Laser pour l’Industrie, Rennes, France Septembre (2023). Spontaneous surface organization induced by ultra-short laser pulses
J.P. Colombier
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High-energy, few-cycle light pulses tunable across the vacuum ultraviolet
Andrade J. R. C., Kretschmar, M., Danylo, R., Carlström, S., Witting, T., Mermillod-Blondin, A., Patchkovskii, S., Ivanov, M.Y., Vrakking, J.J.M., Rouzée, A. & Nagy, T.
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Probing nonlinear excitation conditions: photoluminescence and nonlinear absorption studies in laser-irradiated dielectrics. Applied Physics A, 130(3).
Sneftrup, Peter S.; Juergens, Peter; Michele, Vincenzo De; Andrade, José R. C.; Vrakking, Marc J. J.; Balling, Peter & Mermillod-Blondin, Alexandre
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Quantitative Mapping of Transient Thermodynamic States in Ultrafast Laser Nanostructuring of Quartz. Ultrafast Science, 6.
Nguyen, H. D.; Tsaturyan, A.; Joao, S. Sao; Dwivedi, R.; Yedigaryan, A.; D.’Amico, C.; Kachan, E.; Colombier, J. P.; Kermouche, G. & Stoian, R.
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The quest for resolution: a dynamic view on ultrafast laser extreme volume nanostructuring. High-Power Laser Ablation VIII, PC129390G (2024) [Invited]
R. Stoian
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«Amnesia of previous nonlinear plasma formation in fused silica excited by few-cycle pulses», in ultrafast phenomena conference (2024)
Andrade, J. R. C., Fedorov, V., De Michele, V., Sneftrup, P., Jürgens, P., Rammelt, L., Vrakking, M. J. J., Razvan, S., Colombier, J.-P., Nagy, T. & Mermillod-Blondin, A.
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«Excited-state bandgap dynamics in silica from first principles», High-Power Laser Ablation VIII, PC129391B (2024) [Invited]
E. Kachan, A. Tsaturyan, R. Stoian & J.P. Colombier
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«Ultrafast laser-irradiated silica: from excited-state dynamics to nanostructuring», Spie Laser Damage (2024) [Invited]
J.P. Colombier, A. Tsaturyan, A.. Rudenko, E. Kachan & R. Stoian
