Tomographie von mittels ultrakurzer Laserpulse induzierten Glasmodifikationen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Höche; Professor Dr. Dominique de Ligny; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382882190

Die Laserbearbeitung von Glas ist ein junges Forschungsgebiet, das jedoch einer starken und stetig wachsenden Entwicklung unterliegt. Insbesondere kann die Laserbearbeitung oder Lasermodifizierung des Inneren von Gläsern zu neuartigen Anwendungen führen, welche sich veränderte Materialeigenschaften wie z.B. Brechzahl, Volumen, Doppelbrechung, Glasvernetzung oder thermodynamische Zustände zunutze machen. Mögliche zukünftige Anwendungen beinhalten die Kombination von subtraktiver und additiver Glasbearbeitung, der Herstellung und Miniaturisierung von optomechatronischen Komponenten, Nanofluidik, Wellenleitererzeugung oder optischen Elementen. Diese neuen Komponenten können große Auswirkungen auf zukünftige biomedizinische oder optomechatronische Einsatzfelder haben.Trotz umfangreicher Untersuchungen auf diesem Gebiet ist der Prozess der laserinduzierten Umwandlung kaum verstanden. Die Zielstellung dieses Antrags ist daher, ein fundamentales Verständnis der Interaktion von Ultrakurzpuls-Laserstrahlung mit Glas zu erhalten. Untersucht werden hierfür kurze und längere Pulsdauern sowie Einzel- und Mahrfachpuls-Bestrahlung, da aus der Literatur und vorangegangenen Experimenten bekannt ist, dass die Wechselwirkung von Glas und Laserstrahlung stark von dem Glastyp und den Laserparametern abhängt. Obwohl einige begrenzte Erklärungen für beobachtete Interaktionen existieren, fehlt diesen jedoch die notwendige Voraussage des Verhaltens des Glases für verschiedene Glaszusammensetzungen oder Laserparameter. Deshalb sollen in diesem Projekt hinreichende Informationen ermittelt werden, um ein geeignetes Modell der Laser-Glas- Wechselwirkung zu formulieren. Dies erfolgt, indem die Wechselwirkungsprozesse räumlich und zeitlich aufgelöst mittels Raman- und Brillouin-Spektroskopie sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Sekundärionenmassenspektroskopie (TOF-SIMS) untersucht werden. Die so ermittelten strukurellen und chemischen Modifikationen werden verwendet, um die Dynamik der Laser-Glas-Wechselwirkung zu rekonstruieren, wodurch eine detaillierte Modellierung der zugrundeliegenden Prozesse ermöglicht wird.Die Experimente und das Modell geben damit einen umfassenden Blick auf die beteiligten Prozesse in einem Bereich von Nanometer bis Millimeter für Zeitskalen von Pikosekunde bis unendlich. neuartige nanoskalige Röntgenmikroskopie (nanometric x-ray microscopy) schließt die Beobachtungslücke im Bereich von 1 µm bis 50 nm. Diese Untersuchungsmethode wird in naher Zukunft mit dem Gerät CZ Xradia 810 Ultra in Halle zur Verfügung stehen. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf dem chemischen Ansatz der Laser-Material- Wechselwirkung liegen. Dafür wird eine große Reihe an Glasarten hergestellt und diese werden mit chemisch-sensitiven Methoden wie der zeitaufgelösten Emissionsspektroskopie, TOF-SIMS und XRM untersucht, um gezielt nachzuvollziehen was mit jedem chemischen Element während des Prozesses passiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Kristian Cvecek; Dr. Christian Patzig