Forscher erforschen ultraschnelle, laserinduzierte Übergänge von festem zu überdichtem Plasma

Die Wechselwirkung von Festkörpern mit hochintensiven ultrakurzen Laserpulsen hat im letzten halben Jahrhundert große technologische Fortschritte 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 durch Laser-Protonentherapie, Fusionsenergieforschung und Analyse des kulturellen Erbes ebnen.

Es müssen jedoch noch Herausforderungen bewältigt werden, um die Leistung der Laserablation im Nanomaßstab voranzutreiben und die lasergesteuerte Ionenbeschleunigung in der Industrie und für medizinische Zwecke einzuführen.

Wenn ein ultrakurzer Laserpuls mit einem festen Ziel interagiert, entwickelt sich dieses innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne (weniger als einer Pikosekunde) in einen ionisierten oder Plasmazustand [ps]), wo mehrere komplexe und gekoppelte physikalische Prozesse ablaufen, deren Wechselwirkung jedoch noch nicht vollständig verstanden ist.

Aufgrund der ultraschnellen Entwicklung des Targets ist die Anfangsphase der Wechselwirkung, also die Bildung des Plasmas, experimentell nur schwer zugänglich. Daher wurde dieser ultraschnelle Übergang vom Festkörper zum Plasma, der die Anfangsbedingungen für nachfolgende Prozesse wie Teilchenablation oder Beschleunigung festlegt, in den meisten numerischen Modellen, die solche Wechselwirkungen beschreiben, bisher durch grobe Annahmen behandelt.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Yasmina Azamoum und Malte C. Kaluza vom Helmholtz-Institut in Jena und der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Deutschland, Stefan Skupin vom Institut Lumière Matière, Frankreich, Guillaume Duchateau vom Commissariat à l Atomic Energy (CEA-Cesta) haben France und seine Co-Autoren einen bedeutenden Schritt vorwärts bei der Aufklärung des ultraschnellen laserinduzierten Übergangs vom Festkörper zum Plasma gemacht und ein tiefes Verständnis des Zusammenspiels der grundlegenden Prozesse vermittelt.

Sie verfügen über eine einzigartige, hochmoderne rein optische Sondierungstechnik, die eine vollständige Visualisierung der Zieldynamik 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 Kohlenstoffschicht beleuchtet. Die verschiedenen Farben des Sondenpulses treffen aufgrund eines zeitlichen Chirps zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Interaktion ein.

Daher kann die im übertragenen Sondenlicht kodierte Entwicklung des Zielzustands mit einem einzigen Sondenimpuls erfasst werden. Eine solche Single-Shot-Sondierungstechnik ist gegenüber herkömmlichen Pump-Probe-Methoden vorteilhaft, bei denen der abgetastete Prozess von der Pumpe für jede Probe-Verzögerung identisch reproduziert werden muss. Dies ist besonders relevant beim Einsatz von Hochleistungslasersystemen, die oft unter starken Puls-zu-Puls-Schwankungen leiden.

Darüber hinaus zeigten die Wissenschaftler, dass für die korrekte Interpretation der gemessenen Sondenübertragungsprofile die genaue Beschreibung des frühen Festkörper-Plasma-Übergangs entscheidend ist. Es wurde ein zweistufiges Wechselwirkungsmodell entwickelt, bei dem im ersten Schritt die Ionisationsdynamik des Targets im Festkörper und im zweiten Schritt das Target im Plasmazustand berücksichtigt wird.

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 die hydrodynamische Expansion von Plasma.

Die Ergebnisse dieser neuen Erhebungstechnik und deren Interpretation sollen zu einem tieferen Verständnis der verschiedenen Zieldynamiken und einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse beitragen. Diese Erfolge werden wahrscheinlich dazu beitragen, über die traditionellen Methoden der ultraschnellen Laserbearbeitung von Materialien hinauszugehen und laserbeschleunigte Ionentechnologien für gesellschaftliche Anwendungen nutzbar zu machen.