Forschung

Unsere aktuellen Forschungsthemen sind eine Mischung aus der bisherigen Arbeit von Prof. Florian Baron und dem Fachgebiet "Femtosekundenspektroskopie und Ultraschnelle Laserkontrolle" am Institut für Physik, kombiniert mit Materialwissenschaften und praktischen Anwendungen am Institut für Werkstofftechnik.

Hier finden Sie für jedes Forschungsgebiet eine kurze Einführung und eine Auswahl an entsprechender wissenschaftlicher Literatur.

Index der Forschungsthemen

Weitere Themen

Laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen

The image is stylized by high-contrast greyscales. It shows laser-induced periodic surface structures in a glass surface. The viewing angle is perpendicular to the surface. The oval edge around the structures appears to be torn open with dirt and debris on the outside. The periodic structures on the inside look like parallel lamellae.

Bild: Bastian Zielinski

Bei laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS) handelt es sich in der Regel um parallele Linien, die mit einer Vielzahl ultrakurzer Laserpulse auf praktisch jedem Material erzeugt werden. Die Ausrichtung der Strukturen wird stark von der verwendeten Laserpolarisation und den optischen Eigenschaften des verwendeten Materials bestimmt. Die Strukturierung einer Oberfläche mit laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen verändert deren Eigenschaften erheblich, von der Reflektivität über die Benetzbarkeit bis zur Reibungsminderung. Diese Veränderungen beruhen nicht nur auf dem unterschiedlichen Oberflächenprofil, sondern sind auch auf chemische Veränderungen während der Laserbearbeitung zurückzuführen. Die Anwendung dieser Strukturen sowie ihre Entstehung sind Teil der laufenden Forschung.

Unser Ziel ist es, die neue Oberflächenmodifikationen durch die Kombination von Pulsformungstechnologien (siehe unten) und die Kontrolle der chemischen Bearbeitungsumgebung zu finden und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstofftechnik neue technische Anwendungen zu entwickeln. Darüber hinaus kann die Erzeugung von LIPSS mit nur einem einzigen Laserpuls an vorgefertigten Keimstrukturen dazu beitragen, die zugrunde liegenden Prozesse der LIPSS-Erzeugung zu erhellen.

Publikationen

Zeitliche Pulsformung und räumliche Strahlformung von Femtosekundenlasern

The image shows an abstract representation of temporal pulse formation with a liquid crystal display. The image shows the process in two planes. In the foreground, laser pulses can be seen over time. A white input pulse with a Gaussian intensity curve is on the left and a longer, irregular output pulse is on the right. The output pulse has different colors in its course, which represent the different frequency components of the pulse that are shifted against each other in time. The rear plane shows a 3D model of a liquid crystal display (LCD) in the center. The model is shown schematically on a black background and shows a row of several LCD pixels. To the left of this are just as many colored rectangles that form a row parallel to the pixels of the LCD. The rectangles each have a different color corresponding to the rainbow from red to blue. To the right of the LCD are rectangles of the same color. However, these are not in a row but shifted relative to each other, resulting in a sweeping curve. This represents the relative shift in phase between the color components as they pass through the various switched pixels of the display.

Bild: Experimentalphysik 3

Laserpulse im Femtosekundenbereich liegen auf der gleichen Zeitskala wie elektronische Prozesse wie die Anregung und Entspannung in Atomen und Molekülen. Durch die gezielte Gestaltung der zeitlichen Verteilung der Energie und der momentanen Frequenz eines Pulses kann der Anregungsprozess eines Materials manipuliert werden. So fanden Kasseler Forscher heraus, dass geschickt geformte Pulse mit nur einem einzigen Puls erstaunlich tiefe Löcher in der Oberfläche von Dielektrika erzeugen können, indem sie die Anregungsdynamik kontrollieren (High Aspect Ratio Nanomachining). Ein weiterer Parameter ist die räumliche Form des Laserstrahls, welche die Anregung und die daraus resultierenden Abtragsprozesse ebenfalls beeinflusst. Ein räumlicher Lichtmodulator kann die relative Phase der Wellenfront oder die Intensität des Lichts entlang des räumlichen Profils verändern.

Die Kombination beider Techniken, der zeitlichen und der räumlichen Formung, wird neue Wege für die Materialbearbeitung mit einem oder mehreren Pulsen eröffnen, die mit parallel arbeitenden laserbasierten Verfahren kompatibel sind.

Publikationen

Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie

This is an abstract image of colored lines and lights on a black background. It is an artistic representation or analogy to laser induced breakdown spectroscopy. The lines form a series of individual explosions in which luminous parts fly off. In the three-dimensional representation, the row starts at the front left and continues to the back right. The explosions have different colors along the row. The explosions represent the plasma generated by the measurement method and the different colors represent the wavelengths generated by atoms and molecules in the plasma.

Bild: Лариса Лазебная – stock.adobe.com

Stark fokussierte ultrakurze Laserpulse können in verschiedenen Materialien ausreichend hohe Intensitäten erreichen, so dass die Erzeugung eines Plasmas möglich ist. Wenn dieses Plasma abkühlt, rekombinieren Ionen und Elektronen und emittieren spezifische Spektralmuster, die den Molekülen und Elementen entsprechen, die im Material vorhanden waren. Die Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie mit Femtosekunden-Laserpulsen wurde erstmals 2010 in Kassel vom Fachbereich Experimentalphysik "Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle" demonstriert. Mit unseren Femtosekunden-Laserpulsen und einem Gated Amplification System können wir die Schwarzkörperstrahlung des Plasmas vermeiden und so nur die Photonen detektieren, die aus der Rekombination im "kalten" Plasma stammen.

Dieses ortsaufgelöste Spektroskopiesystem wurde verwendet, um das Wachstum von Rissen in Metallen zu untersuchen und in jüngster Zeit, um mit Hilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens krebsartiges und gesundes Gewebe in pathologischen Proben zu unterscheiden. Zukünftige Forschungslinien umfassen die tiefenabhängige Analyse der laserunterstützten Oberflächenchemie für komplexe Materialien, einschließlich metallischer Legierungen, degradierter Batterieelektroden und verschiedener biologischer Proben.

Publikationen

Nanosphärengestützte Feldverstärkung

$The image is a scientific diagram with two parts. On the left side of the image, there is a 3D transparent spherical object on a flat surface that is labeled Si substrate. It is viewed from the side. White light is shining from the top onto the sphere. A red arrow and text indicate that the light onto the spehere is a shaped femtosecond irradiation beam. Below the sphere is a brightly illuminated region and a text labels it as field enhancement. On the right side of the image is a color coded intensity graph. The color shows simulated values of the field intensity enhanced by a nanospehere. Most of the graph is blue, denoting low field intensity. A text at the bottom says it shows the X-Z plane. A red arrow indicates that the laser beam is coming from the top. A white circle in the upper half of the graph indicates the position of the nanosphere in the simulation. Below the sphere, a region of high field intensity is shown by red colors. There are additional stray lines of brighter blue that show other scattered and diffracted light with low intensity.$ Bild: C. Florian

Im Bereich der optischen Mikroskopie und der Laserbearbeitung stellt die Fokussierung des Lichts auf eine minimale Spotgröße eine natürliche Beschränkung der erreichbaren Auflösung dar, die als Beugungsgrenze bekannt ist. Ein effektiver Ansatz zur Überwindung dieser Grenze ist die Ausnutzung von Nahfeldeffekten, die in der Umgebung von dielektrischen Mikrokugeln auftreten. Ein großer Vorteil der Nahfeldverarbeitung ist, dass das Feld evaneszent ist und sich nicht ausbreitet, so dass Auflösungen kleiner als die klassische Beugungsgrenze möglich sind.

Unsere einzigartig strukturierten Femtosekundenlaserpulse bieten sowohl zeitlich als auch räumlich vielversprechende Möglichkeiten zur Steuerung der Energieausbreitung in einem solchen optischen System. Diese Kontrolle erstreckt sich nicht nur auf die laterale und axiale Positionierung des Intensitätsmaximums, sondern umfasst auch dessen zeitliche Wechselwirkung mit Materialien.

Publikationen

Druck von funktionellen Flüssigkeiten

The left part of the image shows a diagram of the laser printing process. It shows a laser beam, a microscope objective, a donor film and a target substrate. The laser beam is red and is directed at the donor film which is blue. the laser is focussed by an objective. Small droptlets of the film are ejected onto the target substrate. The middle part of the image shoaws a 3D representation of a droplet on the target substrate measured by AFM. It has the shape of a half sphere. The Diameter of the droplet is 20 micrometer and its height 6 micrometers. The right part of the image shows an actual photograph of a droplet which is ejected from the donor film, but still connected by a thin pillar of liquid.

Bild: C. Florian

Der laserinduzierte Vorwärtstransfer (LIFT) ist eine etablierte laserbasierte Drucktechnik, die für das Aufbringen von funktionellen Materialien verwendet wird. Bei diesem Druckverfahren wird ein Laserstrahl auf eine Donatorschicht fokussiert und löst eine Wechselwirkung aus, deren Dynamik von der zu bearbeitenden Schicht abhängt. Insbesondere bei Flüssigkeiten führt die Energieabsorption zu einer Mikroexplosion, bei der sich eine Blase bildet, die sich ausdehnt, kollabiert und so einen dünnen Flüssigkeitsstrahl erzeugt. Dieser Strahl dehnt sich aus und schleudert eine kleine Menge des Materials auf ein in der Nähe befindliches Zielsubstrat.

Unser Ziel ist es, LIFT-Fähigkeiten zu verbessern, indem wir verschiedene funktionelle Flüssigkeiten in Kombination mit räumlichen und zeitlichen Pulsformungstechniken (wie unten beschrieben) einsetzen, um den Transferprozess präzise zu steuern und zu optimieren.

Publikationen

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