Getreten und geschüttelt: Maßgeschneiderte ultrakurze Lichtpulse für ultrakleine Löcher

Ultrakurze Laserpulse haben sich zu einem einzigartigen Werkzeug für die Laserbearbeitung von Materialien entwickelt.

Dabei reichen die Anwendungsgebiete von der Nanozellchirurgie bis hin zur Mikro- und Nanomaterialbearbeitung extrem harter Materialien. Kasseler Nanowissenschaftlern ist es nun gelungen, mittels maßgeschneiderten Laserpulsen winzigste Löcher in hartes durchsichtiges Material zu bohren. Dabei haben sie die traditionellen Gesetze der Optik überlistet und in Quarz sowie Saphir Löcher erzeugt mit der unglaublichen „Größe“ von einem zehntel der mikroskopischen Auflösung.

Die Laserbearbeitung durchsichtiger Materialien beruht auf einer kurzfristigen Metallisierung des Materials, das anschließend explodiert. Diese Metallisierung, das heißt das Schaffen so genannter freier Elektronen, kann auf zwei verschiedenen Wegen erreicht werden: Entweder werden die Elektronen mit einem kurzen aber kräftigen Tritt freigesetzt oder sie werden so lange geschüttelt, bis sie mit anderen Elektronen eine Lawine auslösen. Diesen Trick mit dem „Tritt und dem Schütteln“ haben die Kasseler Physiker dem Lichtpuls beigebracht. Könnte man dieses Licht hörbar machen, würde man ein kurzes intensives Knacken gefolgt von einem längeren Rauschen hören.

Die Physiker um Prof. Dr. Thomas Baumert und PD Dr. Matthias Wollenhaupt haben nun herausgefunden, dass zur Locherzeugung weniger Energie gebraucht wird, wenn die Elektronen zuerst „getreten“ und dann „geschüttelt“ werden als in umgekehrter Reihenfolge. Dieses Verhalten konnten sie mit Hilfe eines theoretischen Modells bestätigen, das von Frau Dr. Bärbel Rethfeld (Universität Kaiserslautern) entwickelt wurde.

Die Überraschung kam, als die Forscher ihre Löcher genauer anschauten: Die Löcher waren wesentlich kleiner als bisher von Lasern erzeugte Löcher, die nur durch „Treten“ oder nur durch „Schütteln“ der Elektronen entstehen. Zudem wurde die für mögliche Anwendungen wichtige Eigenschaft beobachtet, dass die Lochentstehung sich sehr tolerant in Bezug auf die angebotene Laserenergie verhält.

Die Physiker haben ihre Arbeit in der renommierten Zeitschrift „OPTICS EXPRESS“ veröffentlicht: L. Englert, B. Rethfeld, L. Haag, M. Wollenhaupt, C. Sarpe-Tudoran and T. Baumert
„Control of ionization processes in high band gap materials via tailored femtosecond pulses“

OPTICS EXPRESS, 2007, Vol. 15, No. 26, 17855

Info
Universität Kassel
Prof. Dr. Frank Träger
Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT)
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