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Spektroskopie zweiatomiger Moleküle bei Einstrahlung ultrakurzer Laserpulse und ihre Anwendung

  • Durch die Verwendung ultrakurzer Pulse lassen sich selbst bei moderaten Pulsenergien und Durchschnittsleistungen sehr hohe Spitzenleistungen erreichen, deren Wirkung auf Materie sich grundlegend von der anderer Lichtquellen unterscheidet. Die hohe Feldstärke ist hier nicht nur verantwortlich für das vermehrte Auftreten optisch nichtlinearer Effekte wie der Frequenzverdopplung, sondern ist auch hauptverantwortlich für die ”kalte“ Ablation, die zu deutlich kälteren Plasmen führt. Eine Untersuchung dieser beiden Umstände in Hinblick auf eine Vereinfachung der Pulslängenmessung und eine Verbesserung der Molekülbildung in erkaltenden Plasmen ist Thema dieser Arbeit. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass die Verwendung von Ultrakurzpulslasern bei der Wahl geeigneter Prozessparameter, insbesondere durch gezielte Defokussierung, die Spektroskopie verschiedener emittierender Moleküle wie Aluminiumoxid verbessert, sodass deren Detektion auch ohne die in der Literatur geforderten zeitauflösenden Messinstrumente möglich ist. Darüber hinaus ermöglichen ultrakurze Pulse eine ortsaufgelöste Kristallisation von Zinkoxid auf – mit einfachen Mitteln präparierten – Zinkoberflächen. Die dabei entstandenen Wurtzite richten ihre c-Achse meist annähernd senkrecht zur darunterliegenden Oberfläche aus und können zur Erzeugung von gestreuter Frequenzverdopplung genutzt werden. Hierfür haben sich besonders die in den letzten Jahren entwickelten faserbasierten Femtosekundenlaser mit Pulsenergien im Mikrojoule-Bereich, Pulslängen von wenigen 100fs und äußerst geringem Wartungsaufwand als ein leistungsfähiges Instrument erwiesen. Die hohe Pulsenergie dieser Systeme erlaubt zudem die Verwendung von Frequenzverdopplern mit deutlich geringeren Konversionsezienzen zur Messung der Pulslänge. Trotz uneinheitlicher Kristallachsen hat sich hier das streuend frequenzverdoppelnde Aluminiumnitrid als besonders tauglich für die optische Autokorrelation herausgestellt. Im Vergleich zum üblicherweise verwendeten monokristallinen Beta-Bariumborat, reduzieren die gesinterten Aluminiumnitrid-Keramikplatten den Justageaufwand, vereinfachen durch ihre Robustheit die Handhabung und verringern den Kostenfaktor um zwei bis drei Größenordnungen. Daher eignet sich das hier entwickelte Verfahren auch für die Kontrolle der Pulslänge während des Fertigungsprozesses eines solchen Systems – besonders dann, wenn hohe bzw. für Beta-Bariumborat zu hohe Pulsenergien auftreten können.
  • Even with moderate pulse energies and average powers, ultrashort pulse lasers achieve very high peak powers, whose effect on matter is fundamentally different from that of other light sources. The high electric field strength does not only cause an increase of optically nonlinear effects such as second harmonic generation, but it is also responsible for the “cold“ ablation, which leads to colder plasmas. An investigation of these two circumstances in terms of a simplification of the pulse duration measurement and an improvement of the molecular formation in cooling plasmas is the topic of this work. In this context, it is shown that when selecting suitable process parameters, especially when purposefully defocusing the medium, the use of ultrashort pulse lasers improves the spectroscopy of several emitting molecules such as aluminum oxide. Therefore, their detection is possible even without the time-resolving spectrometers required in literature. In addition, ultrashort pulses enable spatially resolved crystallization of zinc oxide on zinc surfaces prepared by basic means. The resulting wurtzites usually align their c-axis approximately perpendicular to the underlying surface and can be used to generate scattered second harmonics. Fiber-based femtosecond lasers with pulse energies in the microjoule range, pulse durations of a few 100fs and very low maintenance requirements have proven to be a powerful instrument for these purposes. For measuring the pulse duration, the high pulse energy also enables the usage of frequency doublers with much lower conversion eciencies. Despite nonuniform crystal axes, the scattering second harmonic generating aluminum nitride has proven to be particularly suitable for optical autocorrelation. Compared to the commonly used monocrystalline beta-barium borate, the sintered aluminum nitride ceramic plates facilitate the adjustment, simplify the material handling and reduce the expenses by two to three orders of magnitude. The method developed in this work is therefore also suitable for confirmatory measurements of the pulse duration during the production process of such systems – especially when the occurring pulse energies are high or rather too high for beta-barium borate.

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Metadaten
Author:Anne-Sophie Rother
URN:urn:nbn:de:kola-21182
Referee:Barbara Hahn, Peter Kohns
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2020/10/12
Date of publication:2020/10/12
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2020/10/05
Release Date:2020/10/12
Tag:Autokorrelation; Bandenemission; Kristallisation; Laserinduzierte Plasmaspektroskopie; Ultrakurze Pulse
Number of pages:XIX, 130
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG