Untersuchung der nichtlinearen Ausbreitung von ultraschnellen Infrarot-Laserpulsen in Halbleitern mit geringer Bandlücke

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Nolte
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545531713

Ultrakurze Laserpulse werden in großem Stil für die Präzisionsbearbeitung von Dielektrika eingesetzt, u.a. mit Anwendungen in der integrierten Optoelektronik, in Lab-on-a-Chip-Geräten und in der Datenspeicherung. Die Laserbearbeitung von Halbleitern mit geringer Bandlücke, wie Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs), stellt jedoch aufgrund der extremen nichtlinearen Absorption und Brechung eine große Herausforderung dar. Trotz ihrer Schlüsselrolle in der modernen Elektronik konnte aufgrund der nichtlinearen Ausbreitungseffekte bisher in diesen Materialien im Allgemeinen keine ausreichende Energiedeposition erreicht werden, um interne Modifikationen zu ermöglichen. Darüber hinaus sind die derzeitigen theoretischen Modelle, die für Dielektrika verwendet werden, für die Beschreibung der nichtlinearen Ausbreitung ultrakurzer Laserpulse in Halbleitern unzureichend, da sie zu stark vereinfachte semiklassische Näherungen verwenden. Folglich wird der Fortschritt auf diesem Gebiet durch einen Mangel an grundlegendem Verständnis beeinträchtigt, was die Entwicklung neuartiger Techniken zur Erhöhung der Energiedeposition behindert. Hauptziel des Projekts ist es, das grundlegende Verständnis der nichtlinearen Ausbreitung ultrakurzer Laserpulse in Halbleitern mit geringer Bandlücke zu verbessern. Dies soll es ermöglichen, neue Wege zur Maximierung der Energiedeposition in diesen Materialien zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, wird der französische Partner (LabHC, Saint-Etienne) ein rechnergestütztes quantenmechanisches Modell entwickeln. Dieses Modell wird die Kombination zwischen der unidirektionalen Impulsausbreitungsgleichung (UPPE), den Halbleiter-Bloch-Gleichungen (SBE) und der Dichtefunktionaltheorie (DFT) beinhalten. Das Modell wird mit Hilfe einzigartiger experimenteller Techniken, entwickelt von dem deutschen Team (IAP, Jena), verfeinert und validiert werden. Anschließend wird das Modell verwendet, um die optimalen Laserbedingungen zu bestimmen und neue Experimente zu planen, um eine hohe Energiedeposition zu erreichen. Die in diesem Projekt entwickelten Lösungen basieren auf räumlicher, zeitlicher und räumlich-zeitlicher Strahlformung. Der Erfolg des Projekts beruht auf der außergewöhnlichen Komplementarität der Partner und der besonderen Expertise auf diesem Gebiet. Das französische Team verfügt über das notwendige theoretische Fachwissen zur Modellierung der Ausbreitung von Laserpulsen und zur Quantensimulation der ultraschnellen Photoanregung. Sie sind bekannt für ihre theoretischen Arbeiten zur Laserbearbeitung von Halbleiteroberflächen und Nanostrukturen. Andererseits hat der deutsche Partner wegweisende Experimente zur Laser-Halbleiter-Wechselwirkung im Volumen durchgeführt. Ihre Erkenntnisse führten zu ersten Anwendungen wie der Realisierung von Wellenleitern in Silizium mit ultrakurzen Laserpulsen und dem Ultrakurzpuls-Laserschweißen von Halbleiter und Metall.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerin: Elena Kachan, Ph.D.