Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung in Gläsern

Kalupka, Christian; Poprawe, Reinhart; Nolte, Stefan

doi:HT020058517

Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung in Gläsern = Energy deposition of ultrashort pulsed laser radiation in glasses

Kalupka, Christian^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeChristian Kalupka

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (III, 141 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-86359-713-9

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)^RWTH* ; Nolte, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-02-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-04495
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/760909/files/760909.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Energiedeposition (frei) ; Glas (frei) ; Glass (frei) ; UKP-Laser (frei) ; USP-Laser (frei) ; energy deposition (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Bearbeitung von Gläsern ist für die Verwendung fokussierter ultrakurz gepulster Laserstrahlung durch hinreichend große Intensitäten für Wellenlängen möglich, für die das Glas intrinsisch transparent ist. Durch nicht-lineare Ionisationsmechanismen wird eine Absorption der Laserstrahlung realisiert, sodass bei einer entsprechend großen Energiedeposition eine permanente Materialmodifikation resultiert. Die räumliche Energiedeposition der Laserstrahlung wird maßgeblich von nicht-linearen und linearen Wechselwirkungs- und Propagationseffekten beeinflusst, die Gegenstand aktueller Forschung sind. Im Rahmen dieser Dissertation werden grundlegende Zusammenhänge der Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Volumen von Gläsern mit der verwendeten räumlichen und zeitlichen Intensitätsverteilung erarbeitet, um eine Vergrößerung der Energiedeposition bei einer möglichst maximalen räumlichen Lokalisierung zu realisieren. Zunächst wird ein grundlegendes Verständnis des Zusammenhangs der zeitlichen Intensitätsverteilung, die durch die Pulsdauer und die Spitzenintensität charakterisiert ist, mit den zugrundeliegenden Ionisations- und Wechselwirkungsmechanismen erarbeitet. Dabei werden in Abhängigkeit der Pulsdauer Intensitätsregime ermittelt, für die die Erzeugung einer freien Elektronendichte primär durch Photoionisation bzw. Avalanche-Ionisation stattfindet. Die Ionisationsmechanismen Photo- bzw. Avalanche-Ionisation wirken sich maßgeblich auf die Ausprägung der Puls-Plasma-Wechselwirkung aus, welche ein zentrales Maß für die Energiedeposition darstellt. Im nächsten Schritt wird die räumliche Energiedeposition von ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Volumen von Gläsern für die Verwendung eines räumlichen Gauß-Profils erfasst, indem die Dynamik einer erzeugten freien Elektronendichte zeitaufgelöst analysiert wird. Zur Quantifizierung der Energiedeposition werden die sogenannte Amplitude und Lokalisierung der Energiedeposition eingeführt. Die Amplitude entspricht dabei der räumlich integrierten freien Elektronendichte und die Lokalisierung der Ausdehnung der ortsabhängigen freien Elektronendichte in Bezug auf die räumliche Intensitätsverteilung. Eine Vergrößerung der Amplitude der Energiedeposition durch die Verwendung höherer Intensitäten der Laserstrahlung bedingt dabei für ein Gauß-Profil aufgrund der Kaustik stets eine Verkleinerung der Lokalisierung der Energiedeposition. Für ein näherungsweise unabhängiges Einstellen von Amplitude und Lokalisierung der Energiedeposition in Gläsern, wird durch räumliche Strahlformung ein sogenanntes nichtbeugendes Bessel-Profil erzeugt. Dabei werden in Abhängigkeit der Ausprägung der Puls-Plasma-Wechselwirkung charakteristische Intensitätsregime der Energiedeposition identifiziert. Durch ein gezieltes Anpassen der Puls-Plasma-Wechselwirkung wird eine homogene Energiedeposition mit einer transversalen Ausdehnung im Bereich ∼ 1 μm und einer longitudinalen Ausdehnung im Bereich ∼ 700 μm demonstriert. Abschließend wird auf Grundlage des erarbeiteten Prozessverständnisses durch eine gezielt eingestellte homogene räumliche Energiedeposition im Glasvolumen ein Trennprozess für Gläser realisiert, mit dem Schnittgeschwindigkeiten in der Größenordnung ∼ 10 mm/s möglich sind.

Processing glasses with laser radiation can be achieved by the application of high intensities for focused ultrashort pulsed laser radiation even for wavelengths for which the glass is intrinsically transparent. Absorption of the laser pulse is realized by nonlinear ionization mechanisms, which subsequently can lead to a permanent modification of the glass for a specific local energy deposition. The spatial distribution of the energy deposition is strongly influenced by nonlinear and linear interaction and propagation effects, which are subject of current research. In this dissertation fundamental correlations of the energy deposition of ultrashort pulsed laser radiation with the spatial and temporal intensity distribution of the laser radiation are elaborated to increase the energy deposition while the spatial localization is as high as possible. Initially, a fundamental understanding of the correlation of the temporal intensity distribution, which is characterized by the pulse duration and the peak intensity, with the underlying ionization and interaction processes is developed. In dependency on the used pulse duration, intensity regimes are identified for which a dense free electron densityis mainly induced due to Photo and Avalanche ionization, respectively. The underlying ionization mechanisms Photo and Avalanche ionization have a direct impact on the pulse-plasma-interaction, which is a central measure of the energy deposition. In the next step the spatial energy deposition of ultrashort pulsed laser radiation in the volume of glass is evaluated for the use of a Gaussian intensity profile by time-resolved investigations of the dynamics of the induced free electron density. To quantify the energy deposition, the amplitude and the localization of the energy deposition are introduced. The amplitude corresponds to the spatially integrated free electron density and the localizationis correlated to the spatial dimension of the free electron density with regard to the spatial intensity distribution. An increase of the amplitude of the energy deposition by an increase of the applied intensity leads to a decrease of the localization due to the caustic of the Gaussian beam profile. For a nearly independent adjustment of amplitude and localization of the energy deposition in glasses, a non-diffracting Bessel beam profile is generated by spatial beam shaping. In dependency on the pulse-plasma-interaction, different intensity regimes are identified. By an precise adjustment of the pulse-plasma-interaction, a homogenous energy deposition is achieved with a transverse dimension ∼ 1 μm and a longitudinal dimension ∼ 700 μm. Finally, on the basis of the developed fundamental understanding, a cutting process for glasses is realized by a precisely controlled and homogenous energy deposition in the glass volume. With this process, cutting speeds in the order of ∼ 10 mm/s can be achieved.

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