Themen/Profil von Forschung und Lehre
Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit kondensierter Materie. Unser Bestreben ist laserinduzierte Prozesse in kondensierte Materie zu verstehen und dadurch diese für technologische Anwendungen zugänglich zu machen.
Hierbei fokussieren wir uns auf ultrakurz gepulste Laserstrahlung im Femtosekunden Bereich, da diese Strahlung bezüglich der Puls-Formung besondere Eigenschaften aufweist. Zur Beschreibung von Prozessen ist es notwendig diese zu untersuchen und zu modellieren. Wir wenden Pump&Probe Techniken an, um auf der Femtosekunden Zeitskala Heizen, Schmelzen, Modifizieren und Verdampfen von Materie zu detektieren. Die Prozesse, die während und nach der Bestrahlung stattfinden modellieren wir und vergleichen dies mit unseren experimentellen Ergebnissen, um daraus Erkenntnisse zur Wechselwirkung zu extrahieren.
Link zum LHM - Laserinstitut Hochschule Mittweida
Inhaber der Professur
Unsere Forschungsprojekte
Untersuchung von laserinduzierten Plasmen bei hochintensiver Doppelpuls- Lasermaterialbearbeitung (la PlaLma)
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. 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). 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. 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).
Kontrolle der opto-magnetischen Eigenschaften von Legierungen durch Laser- und Ionenbestrahlung - COLASION
Kürzlich wurde beobachtet, dass sowohl die Bestrahlung mit einem einfach gepulsten fs-Laser als auch das Eindringen von Ionen nahezu identische Veränderungen in der Gitterordnung von Legierungen bewirken können, was zur Umwandlung eines ursprünglich ungeordneten Gitters in ein geordnetes Gitter führt. In bestimmten Legierungen, wie dem Prototyp Fe60V40, geht die atomare Neuordnung mit dem Auftreten von Ferromagnetismus einher. Das Projekt COLASION zielt darauf ab, die physikalischen Grenzen und individuellen Vorteile sowohl der laser- als auch der ioneninduzierten atomaren Umordnung umfassend zu charakterisieren und die funktionellen Eigenschaften des ursprünglich ungeordneten Fe60V40 für technische Anwendungen zu kontrollieren. Die atomare Neuordnung und die damit einhergehenden magnetischen Effekte werden mit der magneto-optischen Bildgebung sowie der strukturellen und holografischen Bildgebung im Nanobereich charakterisiert. Die zeitaufgelöste In-situ-Messung und -Modellierung wird weitere Einblicke in die vorübergehenden dynamischen Prozesse liefern, die zur endgültigen neu geordneten atomaren Struktur führen, wie z. B. Erwärmung, Schmelzen, anschließende Abkühlung und Wiedererstarrung. Unser Ziel ist es, den geeigneten Umordnungsprozess auszuwählen, um die gewünschten funktionellen Eigenschaften zu erreichen, indem wir die räumlichen und zeitlichen Grenzen der laser- und ioneninduzierten Magnetisierung verstehen. Die zeitaufgelösten Messungen und die Modellierung werden ein Licht auf die grundlegenden Prozesse werfen, die zur atomaren Neuordnung und Magnetisierung führen.
Oberflächenmodifikation von Silizium auf der Nanometerskala
Innerhalb des Projektes wird die Wechselwirkung von Silizium mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung mittels zeitaufgelöster Messtechnik und theoretischer Simulationen untersucht. Dafür entwickeln wir ein hybrides atomistisch-kontinuierliches Multiskalenmodell, das mehrere numerische Techniken in einem einzigen mesoskopischen Berechnungsansatz kombiniert. Das Modell berücksichtigt 5 physikalische Phänomene: Erstens den MD-Teil zur Beschreibung der laserinduzierten transienten Zustände auf atomarer Ebene. Zweitens die Auswirkung der durch den Laser erzeugten freien Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare), die im Kontinuum berücksichtigt werden. Drittens: nicht-thermische Phasenübergänge durch ein neu entwickeltes interatomares Potential. Viertens, die Auswirkung der SPP-Anregung auf die Laserenergiedeposition. Und schließlich die CGMD-Methode zur Modellierung großer Materievolumina bei geringer Anregung und laserinduzierten Phasenübergängen unter lokalen Gleichgewichtsbedingungen. Darüber hinaus können die durch Multipulse induzierten Strukturen (LIPSS) in ab initio Berechnungen gesondert auf ihre optischen Eigenschaften hin untersucht werden. Die theoretischen Simulationen werden durch spektroskopische, abbildende Pump-Probe-Ellipsometrie validiert, die eine umfassende Bestimmung des transienten komplexen Brechungsindexes bei der Bestrahlung ermöglicht. Das Projekt untersucht Si als Vertreter einer großen Gruppe von Halbleitern. Eine Reihe der in diesem Projekt erzielten Ergebnisse kann daher auf In, As, Ge und andere Materialien ausgedehnt werden, die in der Mikroelektronik und den Nanotechnologien von Bedeutung sind. Das grundlegende Verständnis der laserinduzierten Prozesse macht die gezielte Beeinflussung der optischen Eigenschaften von Si und die Entwicklung einer neuen Generation elektronischer Geräte auf der Nanoskala möglich.
Selektiver und schädigungsarmer Laserabtrag von Schichtsystemen auf optischen Bauelementen SelektLas
Bei Punkt- oder flächigen Fehlern in der Beschichtung hochwertiger Optiken müssen diese abgetragen und die Beschichtung repariert oder ersetzt werden. Bisher angewandte nasschemische Abtragsverfahren basieren jedoch oft auf Einsatz giftiger Chemikalien und erfordern oft einen vollständigen Schichtabtrag, während mechanische Verfahren meist nur auf planen Oberflächen anwendbar sind. Projektziel ist die Prozessentwicklung für einen schädigungsarmen, ortsoptimierten Abtrag durch Ultrakurzpulslaser. Hierfür sollen simulative Ansätze, experimentelle Untersuchungen und In situ-Messtechnik zur Parameter-Optimierung genutzt werden.
Team
Lehre und Forschung
