Umladen von Fremdionen beim Modifizieren von Glas mit UV-Laserstrahlung für das Farbmarkieren und Strukturieren

Talkenberg, Marc; Poprawe, Reinhart

doi:HT014548048

Umladen von Fremdionen beim Modifizieren von Glas mit UV-Laserstrahlung für das Farbmarkieren und Strukturieren

Talkenberg, Marc (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Talkenberg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

Umfang106 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-01-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12650
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52075/files/Talkenberg_Marc.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Glas (Genormte SW) ; Fremdion (Genormte SW) ; Umladung (Genormte SW) ; Ultraviolettlaser (Genormte SW) ; Physik (frei) ; UV-Laserstrahlung (frei) ; Glas (frei) ; Modifikation (frei) ; Mikrostrukturierung (frei) ; Farbmarkierung (frei) ; Dotierung (frei) ; XANES (frei) ; optische Spektroskopie (frei) ; Umladen (frei) ; Oxidation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Änderungen der laserinduzierten optischen und atomaren Eigenschaften von Fremdionen in photosensitivem Lithiumalumosilikat-Glas und dotiertem Kalk-Natron-Glas werden als Funktion der Laserparameter (u.a. Wellenlänge, Energiedichte und Pulsdauer) sowie der Materialparameter (Art und Kombination sowie Konzentration der Fremdionen) und der Prozessparameter (u.a. Pulszahl und Überlappungsgrad der Laserpulse) mit optischer Spektroskopie, zeitaufgelöster Laser-Absorptionsspektroskopie, Röntgen-Fluoreszenzsspektroskopie und Röntgen Absorptionskanten Spektroskopie sowie Elektronen-Spin Resonanz Spektroskopie experimentell untersucht. Aus den gemessenen Änderungen der Absorption und Konzentration polyvalenter Cer- und Silber-Ionen als Funktion der Energiedichte und der umfassenden spektroskopischen Analyse wird auf das laserinduzierte Umladen der Ionen als Ursache der beobachteten Modifikationen, wie beispielsweise Farbmarkierungen, geschlossen. Aus den Untersuchungen folgen Hinweise auf photoinduziertes Umladen über Oxidieren und Reduzieren polyvalenter Fremdionen und das Bilden von Farbzentren sowie das Ausheilen von Defekten. Als Anwendungsbeispiele werden die violette, gelbe und rote Farbmarkierungen durch Modifizieren mit gepulster UV-Laserstrahlung u.a. unter Variation der Energiedichte und Dosis demonstriert. Die Farbe und Intensität der beobachteten Farbmarkierungen kann durch Variation der Wellenlänge, Energiedichte und Pulszahl sowie der Art und Konzentration der Fremdionen in weiten Bereichen geregelt werden, so daß die Reproduzierbarkeit des Bestrahlungsverfahrens gewährleistet werden kann. Als weiteres Anwendungsbeispiel für das Umladen wird das Farbmarkieren von photosensitivem Lithiumalumosilikat-Glas durch Modifizieren mit UV-Laserstrahlung und Tempern sowie das Strukturieren von photosensitivem Lithiumalumosilikat-Glas durch Modifizieren durch Modifizieren mit UV-Laserstrahlung und Tempern mit nasschemischen Ätzen dargelegt.Die beobachteten Änderungen der Absorption und Konzentration in den optischen Spektren beim Modifizieren mit UV-Laserstrahlung wird auf die photoinduzierte Oxidation des Elektronen-Donators Cerium zurückgeführt. Als Folge der experimentellen Evidenz der beobachteten Änderungen der Innerschalen-Absorption und Konzentration des Elektronen-Donators Cerium als Funktion der Energiedichte, wird das photoinduzierte Oxidieren von dreifach geladenen Cerium-Ionen in den optischen Spektren durch XANES-Messungen bestätigt. Aus der gemessenen Verschiebung der Innerschalen-Absorptionskante des Akzeptors Silber als Funktion der Energiedichte wird auf photoinduziertes Reduzieren von einfach geladenen Silber-Ionen zu Silber-Atomen geschlossen. Das aus den ESR-Messungen gefolgerte Bilden und Ausheilen von Farb- und Defektzentren wird als Konkurrenzprozess zum Photoreduzieren bewertet, das die Effizienz des Farbmarkierens begrenzt.

The laser induced changes of the optical and atomic properties in photosensitive lithium-aluminum-silicate glass and doped soda-lime glass are investigated with optical spectroscopy, time-resolved laser-absorption spectroscopy, x-ray fluorescence and x-ray absorption-near-edge spectroscopy (XANES) as well as electron spin resonance spectroscopy as a function of the laser parameter (e.g. wavelength, energy density and pulse duration), material parameter (e.g. concentration of ions) and processing parameter. Based on the measured changes of the absorption and concentration of polyvalent ions incorporated in the glass and on the grounds of the broad spectroscopic analyses it is concluded that the observed modifications, such as color markings, are due to photo-induced charge transfer between polyvalent ions. The results indicate that photo-induced oxidation and reduction as well as the generation and bleaching of defects are the dominant processes which lead to modifications in glass. The results are demonstrated in applications such as the generation of violet-, yellow- and red color markings in doped soda-lime glass produced with pulsed UV laser radiation. For example the color and intensity of the laser generated markings is controlled by variation of wavelength, energy density and concentration of polyvalent ions. Another application for photo-induced charge transfer demonstrated in this work is the color marking generated with pulsed UV laser radiation in combination with tempering and the structuring of photosensitive glass in combination with subsequent wet chemical etching. The observed changes in absorption and concentration in the optical spectra of cerium and silver doped photosensitive glass are due to photo-induced ionisation of the donator cerium. This result is confirmed by the measured absorption and concentration changes of trivalent cerium in the XANES spectra. The observed shift in the absorption edge and the changes of the oxidation number for monovalent silver in the XANES spectra are due to reduction of the acceptor silver. From the ESR spectra the generation and bleaching of defects and color centers is observed which decreases the efficiency of the color marking.The combination of doping and irradiating glass with UV laser radiation is considered to be an efficient procedure for e.g. color markings in glass. In fact the development of photonic manufacturing processes for applications in the glass-industry is still a major topic today and for the time being. In this work at least two manufacturing processes have been developed demonstrating that color markings and microstructures can be generated with laser radiation in glass.

Fulltext:
PDF