Zeitaufgelöste Analyse der Wechselwirkung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit Dielektrika

Horn, Alexander; Poprawe, Reinhart

doi:25310

Zeitaufgelöste Analyse der Wechselwirkung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit Dielektrika

Horn, Alexander (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Horn

ImpressumAachen : Shaker 2003

UmfangII, 139 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN3-8322-2068-2

ReiheBerichte aus der Lasertechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-09-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6970
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59180/files/59180.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dielektrikum (Genormte SW) ; Laserimpuls (Genormte SW) ; Femtosekundenbereich (Genormte SW) ; Strahlenschaden (Genormte SW) ; Absorptionsspektroskopie (Genormte SW) ; Pump-Probe-Technik (Genormte SW) ; Emissionsspektroskopie (Genormte SW) ; Speckle-Interferometrie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Lasermaterialbearbeitung (frei) ; ultrakurpuls (frei) ; Brechungsindexänderung (frei) ; femtosekunden (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Wechselwirkung gepulster Laserstrahlung (tp = 80 fs) mit Dielektrika induziert freie Elektronen und Löcher. Die Dynamik der Elektronen wird mit transienter Absorptionsspektroskopie aufgenommen. Die Rekombinationszeit der Elektronen beträgt bei Quarzglas ca. 200 fs und ist um eine Größenordnung kleiner als bei BK7 Glas. Die freien Elektronen des Quarzglases relaxieren strahlend durch Emission optischer Strahlung und nicht-strahlend durch Aufheizung und Bildung von Defekten, welche zur Modifikation, z.B. Brechungsindexänderungen oder Rissbildung führen. Durch Speckle-Photographie wird während der Bestrahlung von BK7 Glas mit gepulster Laserstrahlung (tp = 40 ps) die Vergrößerung des Brechungsindex durch den Kerr-Effekt und die Verkleinerung des Brechungsindex durch freie Elektronen beobachtet. Die Relaxation der Defekte durch Energie-Transfer-Prozesse dauert einige Nanosekunden. Die räumliche Ausdehnung der optischen Emission wird in Saphir und BK7 Glas durch Anregung mit gepulster Laserstrahlung (Wellenlänge l = 1064 nm, Pulsdauer tp = 38 ps) mit Streak-Photographie bestimmt. Die Position des Emissionsmaximums ändert sich mit der Puls-Intensität der Laserstrahlung und wird durch Selbstfokussierung der Laserstrahlung erklärt. Bei Saphir wird auf eine 6-Photonen-Absorption und bei BK7 auf eine 4-Photonen-Absorption geschlossen. Durch Streak-Photographie werden für BK7 Glas und Saphir die Relaxationskanäle zerfallender Elektron-Loch-Paare bestimmt. Zwei Zerfälle werden beobachtet: Zerfall von Elektron-Loch-Paaren (Zerfallszeit: t1 <= 200 ps) und Zerfall von Defekten, wie z.B. Farb-Zentren (Zerfallszeiten: 200 ps<= t2<=1 ns und 1 ns <=t3 <= 10ns). Die kleinen Zerfallszeiten deuten auf thermisch gequenchte Defekt-Zustände. Die Defekte zerfallen unterhalb der Quenching-Temperatur mit Zerfallszeiten im Millisekundenbereich. Dadurch, dass die Relaxation der Defekte bei Temperaturen größer als die Quenching-Temperatur stattfindet, relaxieren diese nicht-strahlend. Durch zeitaufgelöste Nomarski-Photographie werden die Brechungsindexänderungen und die Bildung von Filamenten in Quarz, Quarzglas und BK7 Glas nach der Wechselwirkung mit gepulster Laserstrahlung (l = 810 nm, tp = 80 fs und 3 ps) sichtbar gemacht. Die Dynamik der Absorption, Modifikation und Rissbildung wird durch Filme verdeutlicht. Druckwellen werden durch gepulste Laserstrahlung im Dielektrikum erzeugt und breiten sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 5 km/s aus. Durch eine Verzögerungsstrecke werden die Modifikationen in Dielektrika bis zu 66 ns nach der Bestrahlung beobachtet.

The interaction of pulsed laser radiation (tp = 80 fs) with dielectrics induces free electrons and holes. The dynamics of the electrons is monitored by transient absorption spectroscopy. The recombination time of the electrons is about 200 fs for fused silica and is one order smaller than for BK7 glass. The free electrons relax radiatively by emission of optical radiation or non-radiatively by heating and formation of defects, which causes the modification of the glass by refractive index change or cracking. By speckle photography of irradiated BK7 glass by pulsed laser radiation (tp = 40 ps) the increase of the refractive index by the Kerr effect and the decrease of the refractive index by the formation of free electrons is observed. The relaxation of the defects by energy-transfer processes has durations of some nanoseconds. The spatial distribution of the optical emission of excited sapphire and BK7 glass by pulsed laser radiation (l = 1064 nm, tp = 40 ps) is measured by streak photography. The position of the emission changes with pulse intensity and is caused by self-focusing. Sapphire absorbs the radiation by a 6-photon process and BK7 glass by a 4-photon process. By streak photography of BK7 glass and sapphire the relaxation channels of decaying electrons-hole pairs are detected. Two channels are observed: the decay of electron-holes (decay time t1 <= 200 ps) and the decay of defects, like color centers (decay times 200 ps<= t2<=1 ns und 1 ns <=t_3 <= 10ns). The small decay times can be explained by thermal quenched defect states. Defects decay for temperatures lower than the quenching temperature with decay times of milliseconds. Because the observed decays are measured above the quenching temperature, the defects relax mainly non-radiatively. By time resolved nomarski photography the refractive index changes and the filamentation in quartz, fused silica and BK7 glass is observed after interaction with pulsed laser radiation (l = 810 nm, tp = 80 fs and 3 ps). The dynamics if absorption, modification and cracking are visualized by movies. Sound-waves induced by laser radiation expand with velocities of about 5 km/s. By a delay line the modifications are observed up to 66 ns after excitation.

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