Laser-Materie-Wechselwirkungen in Glas
Optische Gläser sind aufgrund ihrer relativ geringen Kosten und einfachen Verarbeitbarkeit zu den allerwichtigsten Materialien für optoelektronische und photonische Anwendungen geworden. Die neuere Forschungen hat ergeben, dass bei der Anwendung von Femtosekundenlaserpulsen auf Glasmaterialien dreidimensionale Muster mit nanoskaligen Eigenschaften ausgebildet werden können. Deren Herkunft ist jedoch nicht ganz klar. Das EU-finanzierte Projekt "Extraordinary laser-induced excitations in glasses: analysis and theory" (ELEGANT) wollte nun die Kluft zwischen den experimentellen Erkenntnissen über laserinduzierte Glasmodifikationen und der Theorie auf dem Wege einer umfassenden Analyse überbrücken. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf Grundmaterialien und untersuchten die Laserabsorption bis in die zeitliche Größenordnung der Mikrosekunden. Zu diesem Zweck wird ein optothermoelastoplastisches Modell entwickelt, das aus zwei Teilen besteht. Der erste beschreibt das erzeugte freie Elektronenplasma, während der zweite Teil die elastische und deformative Bewegung des Materials beschreibt. Zunächst fahndeten die Wissenschaftler nach weiteren Erkenntnissen über die im Volumen auftretende Nanogitterbildung in Quarzglas. Sie schlussfolgerten, dass für die periodische Strukturbildung im Materialvolumen nicht Plasmawellen, sondern eher Ionisationsstreuungsinstabilitäten verantwortlich sind. Man analysierte thermophysikalische, optische und mechanische Eigenschaften der verschiedenen Gläser sowie transparenter kristalliner Materialien. Eine Glassorte wurde als geeignet für das Nanogitterimprinting erachtet. Überdies hinaus fanden die Wissenschaftler heraus, dass eine Impulsvorderseitenneigung mit ultrakurzen Laserimpulsen Ursache der Laserschreib-Anisotropie ist. Vergleichende Simulationen der Laserenergieabsorption ergaben, dass geneigte Impulse im Vergleich zu nicht geneigten Impulsen stark absorbiert werden. Simulationen zeigten eine komplexe Evolution der Materialdichte nach schneller Lasererwärmung, ähnlich wie es in Experimenten beobachtet wurde, wodurch das Glas irreversibel verformt wird. So ergab sich ein Blasenbildungsszenario. An der Schwelle zur Blasenbildung erreicht die Materie einen Schmelzpunkt, an dem ihre Zugfestigkeit um mehrere Größenordnungen absinkt. Das Projektteam entwickelte überdies ein Konzept aus laserinduzierten Modifikationsdiagrammen. Diese Diagramme sollen die angeregte freie Elektronenenergie und die Dichte zum Erreichen verschiedener Werte der Erwärmung in transparenten Materialien zuordnen. ELEGANT stellte eine umfassendere Beschreibung der lenkenden Mechanismen der laserinduzierten Materialmodifikationen bereit. Die Projektergebnisse eröffnen nun völlig neue Möglichkeiten der Entwicklung von Mikrosystemen mit Nanostrukturen.
Schlüsselbegriffe
Laser, optisches Glas, optothermoelastoplastisches Modell, Nanogitterbildung, Impulsvorderseitenneigung, Laserschreib-Anisotropie, Blasenbildung
