Adaptive material processing with the help of shaped ultrashort light pulses

• Applicant: Professor Dr. Thomas Baumert
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2002 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5374795

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Wenn ein intensiver ultrakurzer Laserpuls auf ein Material mit großer Bandlücke (im Vergleich zur Lasenwellenlänge) fokussiert wird, kommt es nur in einem kleinen Bereich des Fokalvolumens zur nichtlinearen Absorption der Photonen. Die Absorption führt zur Bildung eines Mikroplasmas, das sich in die Umgebung ausbreitet und spektroskopische Information enthält Die Mikroexplosion erzeugt deterministische Strukturen weit unterhalb der Beugungsbegrenzung des verwendeten Laseriichtes bei vernachlässigbarer Erwärmung des Materials. Die erzeugte Struktur, die spektroskopische Information und die Plasmadynamik waren Gegenstand der Untersuchungen. Zusätzlich wurden neue Kontrastmechanismen für die nichtlineare Mikroskopie untersucht und die fs-Pulsformung weiterentwickelt. 1. Erzeugte Strukturen: In unseren Experimenten zur Ablation mit zeitlich auf der Femtosekundenzeitskala geformten Laserpulsen an Quarzglas liegt die kleinste Strukturgröße um gut eine Größenordnung unterhalb der Beugungslimitienjng des verwendeten Objektives (mit einer NA von 0.5, und 7 mm Arbeitsabstand konnten Strukturen bis unter 100 nm erzeugt werden, die robust gegen Fluenzvariationen waren). 2. Plasmadynamik: In unseren Experimenten zur transienten Plasmadynamik an Wasser ist es uns gelungen, die Elektronendichte sowie die Entwicklung der Plasmadicke eines lasergenerierten Plasmas in Wasser von der Erzeugung des Elektron-Loch-Plasmas auf der fs-ps Zeitskala bis hin zur Entwicklung des Ablationsplasmas auf der 10 ps bis einige 100 ps Zeitskala in einem Experiment zu verfolgen. 3. Spektroskopische Information: Das Plasmaleuchten aus dem Ablationsvolumen enthält spektroskopische Informationen über die Elementzusammensetzung der Probe. Wir konnten zeigen, dass wir Ca-Konzentrationen im molaren Bereich aus einem Probevolumen von etwa ein Femtoliter mit einer Tiefanauflösung von etwa 100 nm an lebenden Pflanzenzellwänden detektieren konnten. 4. Neue Kontrastmechanismen für die nichtlineare Mikroskopie: Wir untersuchten das Auffüllen eines „spektralen Loches" - erzeugt durch Amplitudenmodulation unserer Femtosekundenpulse - über die Weißlichterzeugung (Selbstphasenmodulation) und schlugen diesen Prozess als neuartigen Kontrastmechanismus für die nichtlineare Mikroskopie vor. 5. Weiterentwicklung der Femtosekundenpulsformung: Wir haben einen kompakten Pulsformer realisiert, patentiert und publiziert. Die Erweiterung auf einen Polarisationsformer basierend auf diesem Technologiekonzept ist inzwischen abgeschlossen.

Publications

• "Compact, robust and flexibel setup for femtosecond pulse shaping". Rev. Sci. Instr., Vol. 74. No. 11. 2003, 4950-4953
  A. Präkelt, M. Wollenhaupt, A. Assion, Ch. Horn, C. Sarpe-Tudoran, M. Winter and T. Baumert
  
• "Femtosecond laser-induced breakdown spectrometry for Ca2+ analysis of biological samples with high spatial resolution". Appl. Phys. B. Vol. 77. No. 4. 2003. 391-398
  A. Assion, M. Wollenhaupt, L. Haag, F. Maiorov, C. Sarpe-Tudoran, M. Winter, U. Kutschera and T. Baumert
  
• "Filling a Spectral Hole Via Self-Phase Modulation". Appl. Phys. Lett.. 2005, Vol. 87. 121113-1 - 121113-3
  A. Präkelt, M. Wollenhaupt, C. Sarpe-Tudoran, A. Assion and T. Baumert
  
• "Plasma dynamics of water breakdown at a water surface induced by femtosecond laser pulses". Applied Physics Letters, 2006, Vol 8B, 261109-1-261109-3
  C. Sarpe-Tudoran, A. Assion, M. Wollenhaupt, M. Winter and T. Baumert
  
• "Use of Femtosecond Laser Technique for Studying Physically Small Cracks". Int. J. Fracture. 2006. Vol. 139, 561-568
  Y. Motoyashiki, A. Brückner-Foit, L. Englert, L. Haag, M. Wollenhaupt and T. Baumert
  
• "Control of ionization processes in high band gap materials via tailored femtosecond pulses". Optics Express, 2007. Vol. 15, No. 26.17855 -17862
  L. Englert, B. Rethfeld, L. Haag, M. Wollenhaupt, C. Sarpe-Tudoran and T. Baumert
  
• "Femtosecond Laser Pulses: Linear Properties, Manipulation, Generation and Measurement". In: "Springer Handbook of Lasers and Optics" Editor: F. Träger, Springer Science and Business Media, LLC New York, 2007, Chapter 12, 937 - 983
  M. Wollenhaupt, A. Assion and T. Baumert
  
• "Tailored Femtosecond Pulses for Nanoscale Laser Processing of Dielectrics". Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2007, Munich, June 2007
  L. Englert, M. Wollenhaupt, B. Rethfeld, L. Haag, C. Sarpe-Tudoran and T. Baumert
  
• "Control of Ionization Processes in High Band Gap Materials". Proceedings of LPM 2008 - the 9th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, 1-8
  M. Wollenhaupt, L. Englert, A. Horn, T. Baumert
  
• "Electron generation in laser-irradiated insulators: theoretical descriptions and their applications". Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE) (High power laser ablation Vll) 2008 Vol. 7005, Part 1-2, 050-050
  B. Rethfeld, S. Linden, L. Englert, M. Wollenhaupt, L. Haag, C. Sarpe-Tudoran and T. Baumert
  
• "Material processing of dielectrics with temporally asymmetric shaped femtosecond laser pulses on the nanometer scale". Appl. Phys. A.. 2008, Vol. 92, 749 - 753
  L. Englert, M. Wollenhaupt, L. Haag, C. Sarpe-Tudoran, B. Rethfeld, T. Baumert