fs-Pump-Probe-Mikroskopie

 

Prinzip

Zwei Laserpulse werden auf einer transparenten Glasprobe überlagert Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT Zwei Laserpulse werden auf einer transparenten Glasprobe überlagert

Neben der Verwendung für die direkte Materialbearbeitung werden ultrakurze Laserpulse auch zur Abbildung von Prozessen mit einer extrem hohen Zeitauflösung in der Größenordnung von Einhundert Femtosekunden eingesetzt. Dies wird in dem Verfahren der Pump-Probe-Mikroskopie realisiert. Ein einzelner Laserpuls wird in zwei Teilpulse aufgespalten: Der erste, sogenannte Pump-Puls wird für die Bearbeitung des Materials verwendet. Der zweite Puls, der Probe-Puls, wird im Vergleich zum Pump-Puls deutlich abgeschwächt und für die Abbildung des Prozesses eingesetzt. Der Probe-Puls wird mithilfe einer variablen Propagationsstrecke zeitlich relativ zum Pump-Puls verzögert, sodass prinzipiell beliebige Zeiten des Abtragprozesses gezielt eingestellt und untersucht werden können.

Das Verfahren ermöglicht die Untersuchung der initialen Wechselwirkung von dem bearbeitenden Laserpuls mit dem Material, die typischerweise auf einer Zeitskala von einigen Pikosekunden stattfindet. Darüber hinaus können Relaxationsdynamiken des angeregten Materials sowie das Einsetzen eines Abtragmechanismus analysiert werden, welche auf einer Zeitskala von einigen zehn bis einigen hundert Pikosekunden ablaufen. So kann ein tiefgehendes Verständnis des Bearbeitungsprozesses mit ultrakurz-gepulster Laserpulsen generiert werden und Strategien für eine optimale Bearbeitungsqualität und –effizienz entwickelt werden.

 

Anwendung

Reflektivität einer bestrahlten Graphit-Oberfläche mit einem ultrakurzen Laserpuls zu drei verschieden Zeiten nach der Anregung Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT Reflektivität einer bestrahlten Graphit-Oberfläche mit einem ultrakurzen Laserpuls zu drei verschieden Zeiten nach der Anregung

Abtrag von Graphit

Am LLT wird in verschiedenen Projekten der Laserabtrag von Graphit untersucht (siehe Herstellung von Graphen mit UKP-Laserstrahlung). Mithilfe von Pump-Probe-Reflexionsmessungen der bestrahlten Graphitoberfläche kann die Anregung von freien Elektronen im Material beobachtet werden, was zu einem Anstieg der Reflexion der Oberfläche korrespondiert. Innerhalb einiger Pikosekunden geben die Elektronen ihre Energie an das Phononengitter ab und ein einsetzender Abtragmechanismus wird beobachtet, wenn die Reflexion typischerweise unter das Ausgangsniveau sinkt.

Abtrag von Aluminium

Am LLT wird der laserinduzierte Abtragprozess von Metallen am Beispiel von Aluminium mithilfe von transversaler Pump-Probe-Schattenfotografie untersucht. Für eine Fluenz von 10 J/cm² wird innerhalb der ersten 500 ps eine Aufwölbung der bestrahlten Oberfläche beobachtet, welches mit der sogenannten Phasenexplosion einer aufgeschmolzenen Oberflächenschicht erklärt werden kann. Auf der ns-Zeitskala wird der Austrieb von Schmelze aus dem bestrahltem Volumen beobachtet.

 

Publikationen

Schattenfotografie des UKP-Abtrags einer Aluminium-Oberfläche zu verschieden Zeiten nach der Anregung Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT Schattenfotografie des UKP-Abtrags einer Aluminium-Oberfläche zu verschieden Zeiten nach der Anregung

I. Mingareev, 2009: Melt dynamics of aluminum irradiated with ultrafast laser radiation at large intensities

I. Mingareev, 2009, Dissertation: Ultrafast dynamics of melting and ablation at large laser intensities

I. Mingareev, 2008: Time-resolved investigations of plasma and melt ejections in metals by pump-probe shadowgraphy

 

Weiterführende Links

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP) wird derzeit am LLT der Abtrag von sogenannten Wide-Bandgap-Materialien zeitaufgelöst mittels Pump-Probe-Mikroskopie untersucht. Dabei werden neue Methoden und grundlegende physikalische Effekte für die Nutzung von Laserstrahlung als Werkzeug für die Zukunft erfoscht.

BMBF-Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP)

Photonik Forschung Deutschland