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Die unerwünschte Emission von Röntgenstrahlung zählt nach Technischer Regel Optischer Strahlung zu den Gefährdungen durch indirekte Auswirkungen von Laserstrahlung und führt bei bestimmten Bestrahlungsbedingungen dazu, dass UKP-Laseranlagen als Anlage zur Erzeugung ionisierender Strahlung unter das Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) fallen. Aus Grundlagenuntersuchungen ist bekannt, dass in Laserprozessen mit hochintensiven Laserpulsen gefährliche Röntgenstrahlung mit Photonenenergien > 5 keV freigesetzt werden kann. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass eine Vielzahl von Bestrahlungskenngrößen sowie die Prozessführung sowohl die spektrale Verteilung als auch die Höhe der Röntgenemissionen beeinflussen. So entstehen bei hochrepetierenden Laserprozessen durch die Wechselwirkung zwischen einfallendem Laserstrahl und Laserplasma so hohe Dosisleistungen, die eine gesundheitliche Gefahr darstellen. Damit ist insbesondere beim Einsatz leistungsstarker Laserstrahlquellen in der industriellen Produktion oder im offenen Anlagenbetrieb zu Forschungszwecken der Schutz vor ungesunden Röntgenstrahlen von hoher Bedeutung.
Fokussierte ultrakurz gepulste Laserstrahlung ermöglicht die Bearbeitung von transparenten Dielektrika, wie Glas, obwohl die Photonenenergie geringer als die Energiebandlücke des Materials ist. Die dabei zugrundeliegenden physikalischen Prozesse Multiphotonen-, Tunnel- und Avalancheionisation wurden bereits in zahlreichen experimentellen und theoretischen Studien untersucht und sind unter anderem stark von den transienten optischen Eigenschaften des Materials während der Bestrahlung sowie der Elektron-Elektron Stoßfrequenz abhängig. In diesem Beitrag wird ein Pump-Probe Setup vorgestellt, welches mit einem abbildenden Ellipsometer kombiniert wurde und so den transienten komplexen Brechungsindex des angeregten Materials zeitlich, spektroskopisch und örtlich aufgelöst bestimmen kann. Die damit gemessenen transienten optischen Eigenschaften von Glas werden mit verschiedenen Modellen aus der Literatur verglichen, um diese zu überprüfen und so die nichtlinearen Anregungsprozesse besser verstehen zu können.
Diese Arbeit stellt die Konstruktion, den Aufbau und die Kalibrierung eines automatisierten Pump-Probe-Aufbaus dar, mit dem örtlich, zeitlich und spektroskopisch aufgelöste Pump-Probe-Reflektometrie und -Ellipsometrie möglich ist. Zur Validierung werden die Ergebnisse des Pump-Probe-Ellipsometers für Brechzahl, Extinktionskoeffizient und Schichtdicke eines Materials bei Raumtemperatur mit den Ergebnissen eines kommerziellen Ellipsometers verglichen. ErsteMessungen der Pump-Probe-Reflektometrie und -Ellipsometrie werden durchgeführt und die Ergebnisse diskutiert.
Die Bestrahlung einer dünnen Goldschicht (Schichtdicke 𝑑𝑑𝑧𝑧 = 150 nm, 25 nm Haftvermittlerschicht aus Chrom, Substrat: Quarzglas) mit Einzel- und Doppelpulsen von ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 𝜏𝜏𝐻𝐻 = 40 fs, Wellenlänge 𝜆𝜆 = 800 nm, zeitlicher Pulsabstand 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 400 ps, Spitzenfluenz pro Puls 𝐻𝐻0 = 1,5 𝐻𝐻𝑡𝑡ℎ𝑟𝑟 , 𝐻𝐻𝑡𝑡ℎ𝑟𝑟 − Ablationsschwelle) ergibt signifikante Unterschiede zwischen der Topologie der Ablationsstrukturen des Einzel- und des Doppelpulses. Durch Simulationen mit Hilfe des Zwei-Temperatur-Modells in Kombination mit der Hydrodynamik (TTM-HD) können diese unterschiedlichen Topologien erklärt werden. Die Ursache stellt dabei die Wechselwirkung des zweiten Pulses mit der durch den ersten Puls erzeugten Ablationswolke, deren Erhitzung durch die Absorption des zweiten Pulses und die anschließende allseitige Expansion des entstehenden Gas-Flüssigkeits-Gemisches dar. Die berechneten Ergebnisse werden durch ultraschnelle abbildende
Reflektometrie bestätigt und validiert.