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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Experimentalphysik III - Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2018021254552

Title: Laser amplification in excited dielectrics
Authors: Winkler, Thomas Torsten
???metadata.dc.subject.swd???: LaserablationLaserspektroskopieFemtosekundenlaserDielektrikum
???metadata.dc.subject.ddc???: 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)530 - Physik (Physics)
Issue Date: 12-Feb-2018
Abstract: Today, laser processing of dielectric materials with ultrashort, femtosecond laser pulses finds a great variety of applications. While ablation, cutting or welding of different types of glasses are widespread and popular examples, nanostructuring of transparent crystals or optoporating cells is part of more recent scientific studies. Although the material systems seem to be very different, their interaction with visible and infrared wavelengths is very similar: the light is simply transmitted. This changes drastically when they are exposed to ultrashort and highly intense laser pulses. Different interaction mechanisms lead to the appearance of a transient metal-like state. Thus, pump-probe experiments are the method of choice to study the optical excitation of dielectric materials. In strong contrast to the metallic characteristics of excited dielectrics, this study provides the first observation of the amplification of a probe laser in optically excited sapphire and fused silica glasses. Not only is the observed amplification of coherent nature, it is also dependent on the incident probe pulse intensity and thus of a nonlinear order, a curiosity in itself. From the experimentally obtained energetic and temporal dependencies, a consistent three-step model was developed and is supported by simulations. Besides, the influence of temporal pulse shaping on spatial properties of the laser excitation in water is demonstrated experimentally and via simulations. It is shown that temporally asymmetric shaped laser pulses lead to a spatial distribution of laser excitation that is reduced in area but highly extended in depth. The results are put into the context of post-mortem experiments.Die Lasermaterialbearbeitung dielektrischer Materialien mittels ultrakurzer Femtosekundenlaserpulse findet in der heutigen Zeit vielfältige Anwendungen. Während das Abtragen, Trennen oder Fügen diverser Gläser sehr naheliegende und weit verbreitete Anwendungen sind, ist die Nanostrukturierung von Kristallen oder die Optoporation von Zellen Teil aktueller Studien. Doch egal wie unterschiedlich die Materialsysteme erscheinen, ihre Wechselwirkung mit sichtbarem und infrarotem Licht ist identisch, es tritt ohne Absorption hindurch. Dies ändert sich jedoch abrupt, wenn ultrakurze Laserpulse im Femtosekunden-Bereich verwendet werden: Durch die sehr hohen Intensitäten, die diese kurzen Laserpulse haben, können verschiedene Wechselwirkungsmechanismen einen Übergang vom transparenten in einen transienten metallischen Zustand bewirken, was eine starke Absorption und Reflexion zur Folge hat. Dementsprechend haben sich Anrege-Abfrage Experimente als eine sehr gute Methode bewährt, um die optische Anregung dielektrischer Materialien zu untersuchen. In teils starkem Kontrast zu bisher beobachteten Effekten stehen die in dieser Arbeit präsentierten Untersuchungen an kristallinem Saphir und Quarzglas: Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass unter bestimmten experimentellen Bedingungen ein zeitlich verzögerter Abfragepulse in einem optisch stark angeregten Dielektrikum verstärkt wird. Dabei ist diese Verstärkung nicht nur, ähnlich wie in einem klassischen Laser, kohärent, sondern hängt auch von der eingehenden Intensität des verstärkten Laserpulses ab. Die Verstärkung ist nichtlinear und stellt somit eine selten beobachtete Kuriosität dar. Unterstützt werden die Messungen, die die zeitlichen und energetischen Abhängigkeiten aufzeigen, durch einen Erklärungsansatz mittels eines einen mehrstufigen Prozess und dessen Simulation. Zudem wird der Einfluss zeitlich asymmetrisch geformter Femtosekunden Laserpulse auf die räumliche Verteilung der Anregung in Wasser mittels Experiment und Simulation untersucht. Es zeigt sich, dass zeitlich asymmetrisch geformte Laserpulse zu einer räumlichen Anregungsverteilung führen, die im Vergleich zu bandbreitebegrenzten Laserpulsen eine um die Hälfte reduzierten Fläche hat, dafür aber umso größere Tiefe erreicht. Diese Ergebnisse werden im Kontext aktueller post-mortem Experimente diskutiert.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2018021254552
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