Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung in Gläsern

Kalupka, Christian; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor); Nolte, Stefan (Thesis advisor)

Aachen / Apprimus Verlag (2019) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (III, 141 Seiten) : Illustrationen

Kurzfassung

Die Bearbeitung von Gläsern ist für die Verwendung fokussierter ultrakurz gepulster Laserstrahlung durch hinreichend große Intensitäten für Wellenlängen möglich, für die das Glas intrinsisch transparent ist. Durch nicht-lineare Ionisationsmechanismen wird eine Absorption der Laserstrahlung realisiert, sodass bei einer entsprechend großen Energiedeposition eine permanente Materialmodifikation resultiert. Die räumliche Energiedeposition der Laserstrahlung wird maßgeblich von nicht-linearen und linearen Wechselwirkungs- und Propagationseffekten beeinflusst, die Gegenstand aktueller Forschung sind. Im Rahmen dieser Dissertation werden grundlegende Zusammenhänge der Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Volumen von Gläsern mit der verwendeten räumlichen und zeitlichen Intensitätsverteilung erarbeitet, um eine Vergrößerung der Energiedeposition bei einer möglichst maximalen räumlichen Lokalisierung zu realisieren. Zunächst wird ein grundlegendes Verständnis des Zusammenhangs der zeitlichen Intensitätsverteilung, die durch die Pulsdauer und die Spitzenintensität charakterisiert ist, mit den zugrundeliegenden Ionisations- und Wechselwirkungsmechanismen erarbeitet. Dabei werden in Abhängigkeit der Pulsdauer Intensitätsregime ermittelt, für die die Erzeugung einer freien Elektronendichte primär durch Photoionisation bzw. Avalanche-Ionisation stattfindet. Die Ionisationsmechanismen Photo- bzw. Avalanche-Ionisation wirken sich maßgeblich auf die Ausprägung der Puls-Plasma-Wechselwirkung aus, welche ein zentrales Maß für die Energiedeposition darstellt. Im nächsten Schritt wird die räumliche Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Volumen von Gläsern für die Verwendung eines räumlichen Gauß-Profils erfasst, indem die Dynamik einer erzeugten freien Elektronendichte zeitaufgelöst analysiert wird. Zur Quantifizierung der Energiedeposition werden die sogenannte Amplitude und Lokalisierung der Energiedeposition eingeführt. Die Amplitude entspricht dabei der räumlich integrierten freien Elektronendichte und die Lokalisierung der Ausdehnung der ortsabhängigen freien Elektronendichte in Bezug auf die räumliche Intensitätsverteilung. Eine Vergrößerung der Amplitude der Energiedeposition durch die Verwendung höherer Intensitäten der Laserstrahlung bedingt dabei für ein Gauß-Profil aufgrund der Kaustik stets eine Verkleinerung der Lokalisierung der Energiedeposition. Für ein näherungsweise unabhängiges Einstellen von Amplitude und Lokalisierung der Energiedeposition in Gläsern, wird durch räumliche Strahlformung ein sogenanntes nichtbeugendes Bessel-Profil erzeugt. Dabei werden in Abhängigkeit der Ausprägung der Puls-Plasma-Wechselwirkung charakteristische Intensitätsregime der Energiedeposition identifiziert. Durch ein gezieltes Anpassen der Puls-Plasma-Wechselwirkung wird eine homogene Energiedeposition mit einer transversalen Ausdehnung im Bereich ∼ 1 μm und einer longitudinalen Ausdehnung im Bereich ∼ 700 μm demonstriert. Abschließend wird auf Grundlage des erarbeiteten Prozessverständnisses durch eine gezielt eingestellte homogene räumliche Energiedeposition im Glasvolumen ein Trennprozess für Gläser realisiert, mit dem Schnittgeschwindigkeiten in der Größenordnung ∼ 10 mm/s möglich sind.

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-86359-713-9
  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-04495

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