Grundlagen der Wechselwirkung von hochfrequenten Pulsfolgen (Bursts) ultrakurzer Laserpulse mit Dielektrika unterschiedlicher Bandlücken

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Weißmantel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518776750

Das allgemeine Ziel des Projektes ist das quantitative Verständnis der physikalischen Prozesse, die bei der Wechselwirkung von schnellen Pulsfolgen (Bursts) ultrakurzer Laserpulse mit Dielektrika auftreten, um die Veränderung des Ablationsprozesses im Vergleich zur Ablation mit Laserpulsen im Einzelpuls-Modus in Abhängigkeit von den Burst-Parametern beschreiben zu können. Die Repetitionsraten innerhalb der Bursts werden dabei im Gigahertz- bis Megahertz-Bereich liegen. Basierend auf den im geplanten Vorhaben gewonnenen Erkenntnissen und dem erarbeiteten allgemeinen Ablationsmodell für Dielektrika sollen dann definierte Burst-Parameter mit gezieltem Materialabtrag auf weitere nicht untersuchte Dielektrika übertragen werden. Ebenso soll auf Basis der grundlegenden Erkenntnisse die Bestimmung von optimalen Parametern zur effizienten Erzeugung von qualitativ hochwertigen optisch wirkenden Strukturen mit schnellen Pulsfolgen ultrakurz gepulster Laserstrahlung in Folgeprojekten ermöglicht werden. Hierfür sollen die bereits im Stand der Forschung und den eigenen Vorarbeiten infolge der Verwendung von Laserpulsen in Bursts beschriebenen auftretenden Effekte, wie die veränderten Ablationsschwellen infolge der dynamischen Erzeugung freier Elektronen und von thermischen Einflüssen, die Wechselwirkung der Laserstrahlung eines Folgepulses mit dem durch den vorherigen Puls erzeugten Plasma bzw. der Ablationswolke sowie die durch Inkubation veränderte Materialoberfläche nach der Bestrahlung mit jedem Puls bzw. Burst untersucht und die physikalischen Zusammenhänge und Abhängigkeiten bestimmt werden. Die Untersuchungen sollen komplementär erfolgen, das heißt experimentell mit einer vordefinierten Variation der Materialparameter (Dielektrika mit unterschiedlichen Bandlücken) und der Prozessparameter (Fluenz, Pulsdauer, Anzahl der Laserpulse im Burst, zeitlicher Pulsabstand im Nanosekunden- und Pikosekunden-Bereich, Anzahl an Bursts, Wellenlänge der Laserstrahlung) sowie theoretisch durch Simulation der Laser-Materie-Wechselwirkung unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Erzeugung freier Elektronen durch akkumulierte, nichtlineare Ionisation und der Wärmeakkumulation. Um das allgemeine Ziel der quantitativen Erklärung der Wechselwirkung von ultrakurzen Laserpulsen in Bursts mit Dielektrika zu erreichen, wird das Vorhaben in drei Arbeitspakete AP 1 (Einzelpuls), AP 2 (Einzel-Burst) und AP 3 (Multi-Burst) mit jeweils steigender Komplexität und progressivem Erkenntnisgewinn unterteilt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen