fs-Lasersystem zur Fertigung von 3D-Mikrostrukturen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Teilchen, Kerne und Felder
• Förderung: Förderung in 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218418720

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Laufe der letzten 4 Jahre wurde an der Universität Darmstadt, im Detektor- & Targetlabor des Instituts für Kenphysik mit Hilfe des von der DFG geförderten Lasersystems ein Experimentplatz aufgebaut, der herausragende Möglichkeiten für die Fertigung von Mikrostrukturen, sogenannten Targets bietet. Diese wurden in vielen, sehr unterschiedlichen Experimenten an Forschungseinrichtungen in Deutschand, Frankreich, England, den USA und Japan erforglreich eingesetzt; u.a. bei der Erforschung von lasergetriebener Ionenbeschleunigung, der Erzeugung von Neutronen, bei der Optimierung der Konversionseffizienz von Laserlicht in Teilchen- und Röntgenstrahlung, der Präparation von Materiezuständen hoher Energiedichte („warm, dens matter) – um nur einige zu nennen. Der Kurzpuls-Laser-Oszillator mit einstellbarer spektralen Bandbreite bis zu 100nm, wird nicht nur als Seed-Laser für den nachgeschalteten Verstärker verwendet, sondern auch direkt für die dreidimensionale Freiform-Strukturierung von Fotolack mit herausragender räumlichen Auflösung von lediglich 200nm Voxel Kantenlänge. Diese räumliche Auflösung jenseits der Beugungsgrenze für das verwendete Licht mit 800nm Zentralwellenlänge, wird nur durch den nichtlinearen Effekt der Zwei-Photonen-Absorption ermöglicht. Im Unterschied zu klassischer Maskenbelichtung kann mit der Belichtung über Zwei-Photonen-Absorption in einem sequentiellen Belichtungsprozess eine beliebige dreidimensionale Form, Volumen-Pixel für Pixel aufgebaut werden. Mit diesem Aufbau konnten erfolgreich 3D-Strukturen in Polymeren erzeugt werden, die sich als Targets für Grundlagenexperimente zum besseren Verständnis der Licht-Materie Wechselwirkung eignen. Gegenstand aktueller Forschung ist der „Abformungsprozess“ von so hergestellten Strukturen extrem hoher Formtreue in metallische Werkstoffe. Solche leitenden Strukturen können dann nicht nur zur laser getriebenen Beschleunigung von Ionen, sondern auch gleichzeitig für die räumliche Strahlformung und Energieselektion mithilfe elektromagnetischer Felder genutzt werden, welche in und um die Targetstruktur durch den Beschuss mit intensiven Laserpulsen entstehen. Das nachgeschaltete Verstärkersystem liefert mit 5kZ Repetitionsrate Pulse mit maximal 200uJ Energie und einer einstellbaren Pulsbreite zwischen 200 und ca. 50 Femtosekunden. In Kombination mit zwei hochgenauen Motoren für die Probenpositionierung mit Aufnahmen auch für filigrane und sehr kleine Proben, eignet sich dieser Aufbau hervorragend für die Mikro-Materialbearbeitung. Es wurden verschiedenste Materialien und Probengeometrien bearbeitet. Dies ermöglichte z.B. die Fertigung von Gold-Hohlstrukturen mit lediglich 10 Mikrometer Wandstärke bei sphärischer und zylindrischer Geometrie oder das Schneiden von nur wenigen 100 Nanometer dünnen deuterierten Polystyrol-Folien. Dieses Kurzpuls Lasersystem mit seiner hohen Repetitionsrate wird auch für die selektive Oberflächenstrukturierung von z.B. Silizium genutzt mit dem Ziel die Absorption von Licht signifikant zu steigern und so z.B. die Konversionseffizienz von Laserlicht in sekundäre Röntgen- und Teilchenstrahlung zu verbessern. Es konnten bereits erfolgreich freitragende, 25um dünne Silizium Targets mit diesem Lasersystem einseitig strukturiert werden, welche am Rutherford Appleton Laboratory in England hinsichtlich Ihrer Eigenschaften bei der Röntgenerzeugung und Teilchenbeschleunigung getestet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A bright, laser-neutron source based on relativistic transparency of solids. Phys. Rev. Lett., 110, p. 044802 (2013)
  M. Roth, D. Jung, K. Falk, N. Guler, O. Deppert, M. Devlin, A. Favalli, J. Fernandez, D. Gautier, M. Geissel, R. Haight, C. E. Hamilton, B. M. Hegelich, R. P. Johnson, F. Merrill, G. Schaumann, K. Schoenberg, M. Schollmeier, T. Shimada, T. Taddeucci, J. L. Tybo, F. Wagner, S. A. Wender, C. H. Wilde, G. A. Wurden
  
• Energy loss and charge-transfer of argon in lasergenerated carbon plasma. Phys. Rev. Lett., 110, p. 115001 (2013)
  A. Frank, A. Blazevic, V. Bagnoud, M.M. Basko, M. Börner, W. Cayzac, D. Kraus, T. Heßling, D.H.H. Hoffmann, A. Ortner, A. Otten, A. Pelka, D. Pepler, D. Schumacher, An. Tauschwitz and M. Roth
  
• Focusing and transport of high-intensity multi-MeV proton bunches from a compact laser-driven source. Phys. Rev. ST Accel. Beams 16, 101302 (2013)
  S. Busold, D. Schumacher, O. Deppert, C. Brabetz, S. Frydrych, F. Kroll, M. Joost, H. Al-Omari, A. Blazevic, B. Zielbauer, I. Hofmann, V. Bagnoud, T. E. Cowan, and M. Roth
  
• Probing the complex ion structure in liquid carbon at 100 GPa. Phys. Rev. Lett., 111, p. 255501 (2013)
  D. Kraus, J. Vorberger, D. O. Gericke, V. Bagnoud, A. Blazevic, W. Cayzac, A. Frank, G. Gregori, A. Ortner, A. Otten, F. Roth, G. Schaumann, D. Schumacher, K. Siegenthaler, F. Wagner, K. Wünsch, and M. Roth
  
• Temporal contrast control at the PHELIX petawatt laser facility by means of tunable subpicosecond optical parametric amplification. Appl. Physics B, 116 (2), p. 429 (2013)
  F. Wagner, C. P. João, J. Fils, T. Gottschall, J. Hein, J. Körner, J. Limpert, M. Roth, T. Stöhlker, V. Bagnoud
  
• A Novel double Hohlraum target to create a moderately coupled plasma for ion stopping experiments. Nucl. Instr. and Methods B, 343, p. 123 (2015)
  A. Ortner, S. Faik, D. Schumacher, M.M. Basko, A. Blazevic, S. Busold, S. Bedacht, W. Cayzac, A. Frank, D. Kraus, T. Rienecker, G. Schaumann, An. Tauschwitz, F. Wagner, M. Roth
  
• Investigation of the solid-liquid phase transition of carbon at 150 GPa with spectrally resolved X-ray scattering. High Energy Density Physics 14, p. 38 (2015)
  J. Helfrich, D. Kraus, A. Ortner, S. Frydrych, G. Schaumann, N. J. Hartley, G. Gregori, B. Kettle, D. Riley, D. C. Carroll, M. M. Notley, C. Spindloe, M. Roth
  
• Maximum proton energy above 85 MeV from the relativistic interaction of laser pulses with micrometer thick CH2 targets. Phys. Rev. Lett., 116, 205002 (2016)
  F. Wagner, O. Deppert, C. Brabetz, P. Fiala, A. Kleinschmidt, P. Poth, V.A. Schanz, A. Tebartz, B. Zielbauer, M. Roth, T. Stöhlker, V. Bagnoud
  
• Nanosecond formation of diamond and lonsdaleite by shock compression of graphite. Nature Communications 7, Article number 10970 (2016)
  D. Kraus, A. Ravasio, M. Gauthier, J. Vorberger, S. Frydrych, J. Helfrich, L.B. Fletcher, G. Schaumann, B. Nagler, B. Barbel, B. Bachmann, E.J. Gamboa, S. Göde, E. Granados, G. Gregori, H.J. Lee, P. Neumayer, W. Schumaker, T. Döppner, R.W. Falcone, S.H. Glenzer, M. Roth