Untersuchung von laserinduzierten Plasmen bei hochintensiver Doppelpuls- Lasermaterialbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Horn
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538140778

Bei der Materialbearbeitung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung entsteht insb. bei der Verwendung von Multipulsen aufgrund der hohen Leistungsdichten eine Ablationswolke aus Dampf, Partikeln und ionisierten Teilchen. Zur Vereinfachung wird dieses Gemisch im vorliegenden Projektantrag unabhängig vom Ionisationsgrad als Plasma bezeichnet. Dieses Plasma wechselwirkt bei hohen Pulswiederholfrequenzen zum einen mit den nachfolgenden Pulsen (Plasma-Laserstrahlung-Wechselwirkung), aber auch ein nachträgliches Heizen der Materialoberfläche durch das Plasma und dessen Expansion kann zusätzliche thermomechanische Spannungen und Stoßwellen hervorrufen (Plasma-Material-Wechselwirkung). Ausschlaggebend für die Plasma-Laserstrahlung-Wechselwirkung sind dabei die transienten optischen Eigenschaften (Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsvermögen) sowie die Geometrie des sich ausdehnenden Plasmas. Die Plasma-Material-Wechselwirkung wird hauptsächlich durch die Temperatur des Plasmas bestimmt. Innerhalb dieses Projektes sollen die physikalischen Prozesse während der Materialanregung und der nachfolgenden Entstehung und Expansion eines laserinduzierten Plasmas mittels abbildender Pump-Probe Reflektometrie, Plasmaspektroskopie und Interferometrie nach Einzel- und Doppelpulsbestrahlung charakterisiert werden. Dabei werden die transienten optischen Eigenschaften des laserinduzierten Plasmas, dessen Auswirkung auf nachfolgende Pulse in Abhängigkeit vom zeitlichen und lateralen Puls-zu-Puls Abstand, sowie die thermomechanische Wirkung des Plasmas auf die zurückbleibende Materialoberfläche untersucht. Diese Eigenschaften können mit der bereits vorhandenen Messtechnik der Forschungsgruppe Horn (abbildende Pump-Probe Reflektometrie und Ellipsometrie) nicht vollständig charakterisiert werden, da diese keine Informationen über die spektralen Emissions- und Absorptionseigenschaften des Plasmas und deren geometrische Verteilung liefert. Deswegen wird zusätzlich zum vorhandenen Pump-Probe Reflektometrieaufbau ein von der DFG geförderter abbildender Spektrograph in Kombination mit einer emICCD Kamera in diesem Projekt verwendet. Die Ergänzung der vorhandenen Messtechnik mit dem geförderten Spektrographen ermöglicht eine umfassende Untersuchung der genannten Prozesse, die sowohl technisch als auch wissenschaftlich relevant sind. Aus den gemessenen experimentellen Daten sollen direkt Erkenntnisse zur Bestimmung von geeigneten Parameterfenstern für eine effizientere Materialbearbeitung abgeleitet werden (technisches Ziel). Durch die umfassend detektierten transienten optischen Eigenschaften des Plasmas sollen vorhandene theoretische Modelle (Zwei-Temperatur-Hydrodynamik) zur Beschreibung der Laserstrahlung-Materie Wechselwirkung weiterentwickelt, erweitert und validiert werden umso das Verständnis der Plasma-Laserstrahlung Wechselwirkung und Plasma-Material Wechselwirkung zu erhöhen (wissenschaftliches Ziel).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen