Forscher erforschen ultraschnelle, laserinduzierte Übergänge von Festkörper zu überdichtem Plasma

Die Wechselwirkung von Festkörpern mit hochintensiven ultrakurzen Laserpulsen hat im letzten halben Jahrhundert große technologische Durchbrüche ermöglicht. Einerseits ermöglicht die Laserablation von Festkörpern die Mikrobearbeitung und Miniaturisierung von Elementen in medizinischen oder Telekommunikationsgeräten. Andererseits könnten beschleunigte Ionenstrahlen aus Festkörpern mithilfe intensiver Laser den Weg für neue Möglichkeiten der Krebsbehandlung mit laserbasierter Protonentherapie, Fusionsenergieforschung und der Analyse des kulturellen Erbes ebnen.

Es müssen jedoch noch Herausforderungen bewältigt werden, um die Leistung der Laserablation auf den Nanometerbereich voranzutreiben und die lasergesteuerte Ionenbeschleunigung in die Industrie und in die Medizin zu bringen.

Bei der Wechselwirkung eines ultrakurzen Laserpulses mit einem festen Ziel entwickelt sich dieses in extrem kurzer Zeit (weniger als einer Pikosekunde) in einen ionisierten Zustand oder Plasma [ps]), wo eine Vielzahl komplexer und gekoppelter physikalischer Prozesse ablaufen, deren Zusammenspiel noch nicht vollständig verstanden ist.

Aufgrund der ultraschnellen Targetentwicklung ist das Anfangsstadium der Wechselwirkung, also die Plasmabildung, experimentell kaum zugänglich. Daher wurde dieser ultraschnelle Übergang vom Festkörper zum Plasma, der die Anfangsbedingungen für nachfolgende Prozesse wie Ablation oder Teilchenbeschleunigung festlegt, in den meisten numerischen Modellen, die eine solche Wechselwirkung beschreiben, bisher durch grobe Annahmen behandelt.

In einem neuen Papier veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungeneinem internationalen Wissenschaftlerteam, darunter Yasmina Azamoum und Malte C. Kaluza vom Helmholtz-Institut Jena und der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Deutschland, Stefan Skupin vom Institut Lumière Matière, Frankreich, Guillaume Duchateau vom Commissariat à l’énergie atomique (CEA-Cesta), Frankreich und Co-Autoren haben einen bedeutenden Schritt vorwärts bei der Aufklärung des ultraschnellen laserinduzierten Übergangs von Festkörper zu Plasma gemacht und ein tiefgreifendes Verständnis des Zusammenspiels grundlegender Prozesse vermittelt.

Sie stellen eine hochmoderne rein optische Einzelschuss-Sondierungstechnik vor, die eine vollständige Visualisierung der Dynamik des Ziels ermöglicht, von einem kalten Feststoff, der die Ionisierungsstufe durchläuft, bis hin zu einem überdichten Plasma. Dies wird durch die Verwendung eines Lasersondenpulses mit einem breitbandigen optischen Spektrum erreicht, der die Wechselwirkung des Pumppulses mit einer nanometerdicken diamantähnlichen Kohlenstofffolie beleuchtet. Die verschiedenen Farben des Sondenimpulses kommen aufgrund eines zeitlichen Chirps zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Wechselwirkung an.

Daher kann die im übertragenen Sondenlicht kodierte Entwicklung des Zielzustands mit einem einzigen Sondenimpuls erfasst werden. Eine solche Single-Shot-Probing-Technik ist im Vergleich zu herkömmlichen Pump-Probe-Methoden vorteilhaft, bei denen der sondierte Prozess bei jeder Verzögerung der Sonde von der Pumpe identisch reproduziert werden muss. Dies ist besonders relevant beim Einsatz von Hochleistungslasersystemen, die häufig starken Puls-zu-Puls-Schwankungen unterliegen.

Darüber hinaus zeigten die Wissenschaftler, dass für die korrekte Interpretation der gemessenen Sondenübertragungsprofile die genaue Beschreibung des frühen Übergangs vom Festkörper zum Plasma entscheidend ist. Es wurde ein zweistufiges Wechselwirkungsmodell entwickelt, bei dem der erste Schritt die Ionisierungsdynamik des Ziels im festen Zustand berücksichtigt und der zweite Schritt das Ziel im Plasmazustand berücksichtigt.

Es wird eine detaillierte Entwicklung des Zielzustands mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung (sub-ps bzw. nm) bereitgestellt, zusammen mit beispiellosen Einblicken in das Zusammenspiel grundlegender Prozesse wie Ionisationsdynamik, Teilchenkollisionen und hydrodynamische Plasmaexpansion.

Die Ergebnisse dieser neuen Sondierungstechnik und ihre Interpretation sollen zu einem tieferen Einblick in verschiedene Zieldynamiken und einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse beitragen. Diese Erfolge dürften dazu beitragen, über die traditionellen Methoden der ultraschnellen Laserbearbeitung von Materialien hinauszugehen und laserbeschleunigte Ionentechnologien für gesellschaftliche Anwendungen nutzbar zu machen.