Dokument: Zeitaufgelöste Untersuchungen von Plasmaeffekten bei der Wirkung intensiver Laserstrahlung auf Metalle

Titel:	Zeitaufgelöste Untersuchungen von Plasmaeffekten bei der Wirkung intensiver Laserstrahlung auf Metalle
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=59184
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220330-114034-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Heunoske, Dominic [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 120,59 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 24.03.2022 / geändert 24.03.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Priv.-Doz. Dr. Osterholz, Jens [Gutachter]
Stichwörter:	Laser, Plasma, Spektroskopie, Interferometer, Multi-fs
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Am Fraunhofer EMI werden neuartige Anwendungen erforscht, bei denen kontinuierliche Laserstrahlung von bis zu 10 kW bei Strahldurchmessern im Bereich von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern genutzt wird. Bei derartigen Prozessbedingungen wurden bislang nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen der Laser-Materie-Wechselwirkung durchgeführt. In Voruntersuchungen am EMI konnte gezeigt werden, dass die intensive Laserstrahlung zur Bildung eines Plasmas führt, das die Energieeinkopplung in die Probe signifikant reduziert. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Plasmawolke experimentell zu charakterisieren und ein numerisches Modell zu entwickeln, das eine konsistente Beschreibung ermöglicht. Für den experimentellen Teil dieser Arbeit wurden drei verschiedene diagnostische Systeme ausgewählt und bei systematischen Testreihen eingesetzt. Es wurden Proben aus reinem Aluminium und Eisen mit verschiedenen Strahldurchmessern bei einer konstanten Laserleistung bestrahlt. Die Auswertung der experimentellen Daten einer Hochgeschwindigkeitskamera, ortsaufgelöster Spektroskopie und Mach-Zehnder-Interferometer lieferte alle relevanten Plasmapara-meter. Es wurden Plasmadynamik (Expansionsgeschwindigkeit von mehreren m/s), Elektronendichten (1017 – 1018 cm-3) und Elektronentempe¬raturen (6000 – 8000 K) für alle Experimente bestimmt. Für die Einordnung der experimentellen Ergebnisse wurden numerische Modelle entwickelt und Simulationsrechnungen durchgeführt. Ziel war die Simulation von Emissionsspektren, wie sie bei den Experimenten mit Aluminium aufgezeichnet wurden. Diese zeigen eine komplexe Struktur, die durch Elektronendichte- und Temperaturgradienten im Plasma verursacht wird und zu charakteristischen Selbstabsorptionslinien im spektralen Verlauf führt. Es ist gelungen, den spektralen Verlauf für verschiedene Abstände zur Probe sehr gut abzubilden. Die experimentell ermittelten Daten können somit konsistent im Modell reproduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht das Modell auch eine Analyse der Energiebilanz und die Berechnung weiterer Größen, wie dem Ionisierungsgrad und der Abschwächung des Laserstahls in der Plasmawolke. Auf Grundlage dieser Ergebnisse können in Zukunft die Prozessparameter für spezifische Laseranwendungen optimiert werden. At Fraunhofer EMI, new types of applications are being investigated in which cw laser radiation of up to 10 kW with beam diameters in the millimeter to centimeter range is used. So far, only little research of laser matter interaction has been carried out under these process conditions. Preliminary studies in this work showed that the intensive laser radiation produces a plasma cloud which reduces the energy transfer from the laser into the sample significantly. The aim of this work was a detailed experimental characterization of the plasma cloud and the development of a numerical model that enables a consistent description of the plasma. For the determination of plasma parameters, three different diagnostic systems were selected and used in systematic test series. Pure aluminum and iron samples were irradiated with different beam diameters at a constant laser power until perforation. The evaluation of the data from the high-speed camera, spatially resolved spectroscopy and the Mach-Zehnder-inter¬ferometer provide the relevant plasma parameters. The plasma dynamics (expansion velocities of several m/s), electron densities (1017 - 1018 cm3) and electron temperatures (6000 – 8000 K) were determined for all experiments. In order to validate the experimental results, numerical models were developed. The aim was the simulation of the complex emission spectra that were recorded in the experiments with aluminum samples. The specific shape of the spectra is caused by a gradient in electron density and temperature in the plasma, resulting in characteristic self-absorption lines. The numerical model was based on the experimental determined plasma parameters. The model reproduced the shape of the spectra for different distances from the sample surface very well. Thus, the simulation confirms the experimentally determined values. Based on these results, further plasma analysis was carried out. The degree of ionization in the plasma was calculated (~ 10 %). The attenuation of the laser beam caused by inverse Bremsstrahlung was estimated and the energy balance of the plasma expansion could be calculated. With these results, process parameters for specific laser applications can be optimized in the future.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	30.03.2022
Dateien geändert am:	30.03.2022
Promotionsantrag am:	26.07.2021
Datum der Promotion:	21.03.2022