Dokument: Ablation von Metallen mittels hochintensiver, few-cycle Laserpulse

Titel:	Ablation von Metallen mittels hochintensiver, few-cycle Laserpulse
Weiterer Titel:	Ablation of metals using high-intensity, few-cycle laser pulses
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=52441
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200326-103221-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Wegner, Julian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 62,87 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 02.03.2020 / geändert 02.03.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] Dr. Lehmann, Götz [Gutachter]
Stichwörter:	femtoseconds, laser pulses, few-cycle, ablation, fusion, attenuation, pic code,
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Diese Arbeit befasst sich mit der Ablation von Metallen durch ultrakurze Laserpulse im Intensitätsbereich zwischen 10^13 W/cm^2 und 10^18 W/cm^2. In diesem Bereich wurden die zu Grunde liegenden Prozesse bisher nicht untersucht. Einleitende Experimente ermöglichten die Bestimmung von fünf verschiedenen Regimen, von denen vier mit bekannten Mechanismen in Verbindung gebracht werden können. Bei den höchsten Intensitäten fällt auf, dass die Ablationskrater einerseits eine halbkugelförmige Gestalt annehmen und andererseits deutlich größer als der Laserspot selbst sind, was durch die Modelle für kleinere Intensitäten nicht beschrieben wird. In diesen Experimenten wurde die Intensität durch eine Flächenänderung variiert. Dies ist für eine genauere Untersuchung sehr ungünstig. Um die Phänomene genau zu analysieren, ist es notwendig, die Intensität zu variieren, indem lediglich die Pulsenergie verändert wird. Bei hochintensiven few-cycle-Laserpulsen scheiden die gängigen Methoden aus, sodass im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Dünnschichtabschwächer entwickelt, theoretisch nachvollzogen und experimentell charakterisiert wurde. Dieser Abschwächer ermöglicht die intensitätsabhängige Vermessung von Ablationskratern in einem Bereich zwischen 10^15 W/cm^2 und 10^18 W/cm^2. Zur Erklärung der Messergebnisse wird ein Drei-Stufen-Modell entwickelt, das die Krater ab initio erklären kann: Dazu werden die Spektren von laserbeschleunigten Elektronen mit dem PIC-Code EPOCH berechnet und deren Energiedeposition im Festkörper mit einem quasi-elastischen Stoßmodell ermittelt. Als dritte Stufe wird die Elektronendiffusion im Festkörper berücksichtigt. Daraus ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Dieses Drei-Stufen-Modell wird abschließend über die Zeitkonstanten der Diffusion, der Anzahl der Elektronen und der benötigten Energie im Vergleich zur Pulsenergie verifiziert. Die Arbeit ist in ein internationales DFG-Projekt zu Wanddiagnostiken in Fusionsexperimenten eingebettet. Die hier präsentierten Ergebnisse sind ein wichtiger erster Schritt: Sie erklären einerseits die Wechselwirkung von Femtosekundenlaserpulsen mit Festkörpern. Andererseits zeigen sie, dass das Wechselwirkungsvolumen im Gegensatz zu bisherigen laserbasierten Diagnostiken präzise beschränkt ist. This thesis deals with the ablation of metals by ultrashort laser pulses with intensities in the range from 10^13 W/cm^2 to 10^18 W/cm^2. In this range, the underlying processes have not been studied yet. Initializing experiments lead to the determination of five regimes of ablation. Four of them were associated with already known mechanisms of ablation. Ablation craters drilled with the highest intensities show a hemispherical shape and are significantly larger than the laser spot size. This phenomenon has not been described by models. In those experiments, intensity was varied by a change of the laser spot size, but it became apparent that this method is not suitable for the investigation of ablation craters. The variation of the intensity only by changing the laser pulse energy is necessary for a proper investigation of those high intensity craters. Therefore, a novel attenuator has been developed, founded in theory and experimentally characterized. This attenuator allows for measuring craters in the range of 10^15 W/cm^2 and 10^18 W/cm^2 with well-defined laserpulse parameters. A three-steps-model is developed for an ab initio explanation of crater formation: First, the PIC-code EPOCH obtains the distribution of laser accelerated electrons. Secondly, those electrons are scattered quasi-elastically in the solid. Finally, electron heat diffusion is considered. The three-steps-model is concerted with the experimental results. It is verified by time constants, number of electrons and the required energy. This work is embedded in an international DFG-project for the diagnostics of the first wall in fusion experiments. The presented results are an important first step, as they explain the mechanisms of laser-solid-interaction in an uninvestigated regime. Moreover, they show that the interaction volume is limited precisely which has an advantage over contemporary laser diagnostics.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	26.03.2020
Dateien geändert am:	26.03.2020
Promotionsantrag am:	26.11.2019
Datum der Promotion:	29.01.2020