Mikroskopische Prozesse bei der Wechselwirkung von Festkörpern mit Laserpulsen im Subpikosekundenbereich

Rethfeld, Bärbel

Gegenstand dieser Arbeit sind die durch die Wechselwirkung eines Festkörpers mit einem ultrakurzen Laserpuls auf Zeitskalen von Femtosekunden bis Pikosekunden im Material stattfindenden mikroskopischen Prozesse. Betrachtet wird die Absorption des Laserlichtes durch inverse Bremsstrahlung, Stoßprozesse der freien Elektronen untereinander und mit dem Gitter sowie für die Beschreibung von Isolatoren auch Ionisationsprozesse. Es wird gezeigt, daß die Temperaturabhängigkeit dieser Stoßprozesse für die Beschreibung der Wärmeleitung wichtig werden kann. Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit besteht in der Modellierung des zeitlichen Verhaltens des Elektronengases bei Laseranregung, Thermalisierung und Relaxation. Es werden Boltzmann'sche Stoßterme aufgestellt, die frei von phänomenologischen Parametern sind, so daß die Beschreibung auch für ein stark im Nicht-Gleichgewicht befindliches Elektronengas anwendbar ist. Die Ergebnisse zeigen für Metalle am Beispiel von Aluminium, daß insbesondere bei kurzen Pulsdauern und schwachen Anregungen die Elektron-Phonon Kopplung und damit die Energieabgabe an das Gitter nach dem Laserpuls aufgrund des nicht-thermalisierten Elektronengases verzögert ist. Bei stärkeren Anregungen, die zur Schädigung des Materials führen können, ist dagegen das Zwei-Temperatur Modell anwendbar. Es wird eine Thermalisierungszeit des Elektronengases ermittelt, die bis zu etwa 500 fs betragen kann. Zur Beschreibung von Isolatoren wird das Modell durch zwei Stoßterme für die Ionisierung von Valenzelektronen erweitert. Die Multiphoton-/Tunnelionisation wird bei Pulsen im Femtosekundenbereich als entscheidender Ionisationsprozess identifiziert. Die Stoßionisation liefert dagegen einen vergleichsweise geringen Beitrag und ist bei Pulsdauern im Femtosekundenbereich nicht durch eine einfache Ratengleichung beschreibbar. Die Abschätzung von Schadensschwellen für SiO2 ist in guter Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen.

We study microscopic processes occuring on femto- to picosecond timescale when a solid is irradiated with an ultrashort laserpulse. Absorption of the laser by inverse bremsstrahlung is accounted for as well as collisions within the free electron gas and collisions of free electrons with the lattice. For the description of dielectrics, ionization processes are included. The temperature dependence of these collision processes is found to be important for the heat conduction. In the main part of this work, we develop a model to study the transient behaviour of the free electron gas. Each considered process is included by an according collision term in a time-dependent Botzmann equation. No phenomenological parameters are used, therefore the model is applicable even for a highly non-equilibrium electron gas. In metals (aluminium), we find a delay of the electron-phonon coupling and therefore of the energy transfer to the lattice due to non-thermalization of the electron gas at short pulse durations and weak excitations. In constrast, the two-temperature model is applicable for higher excitations leading to material damage. Thermalization times of the electron gas lie in a range up to 500 fs. Two terms describing ionization of electrons from the valence band are included for the description of dielectrics. Multiphoton-/Tunnelionization is found to be the main ionization process whereas impact ionization provides only a small contribution and can not be described by simple rate equations. The estimation of damage thresholds for SiO2 is in good agreement with experiments.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Rethfeld, Bärbel: Mikroskopische Prozesse bei der Wechselwirkung von Festkörpern mit Laserpulsen im Subpikosekundenbereich. 1999.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Details anzeigen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export