Pump-Probe-Messtechnik

Zeitabhängige physikalische Prozesse können durch verschiedene Mikroskopieverfahren direkt und ortsaufgelöst beobachtet werden. Relativ langsame Ereignisse wie bspw. das Wachstum einer Bakterienkultur können wir über mehrere Tage hinweg mit bloßem Auge verfolgen. Schnellere Ereignisse können mit CCD Kameras aufgenommen werden. Die zeitliche Auflösung ist dabei durch die Belichtungszeit des Chips limitiert und beträgt bei kommerziellen Kameras bestenfalls wenige hundert Pikosekunden. Bei der Bestrahlung von Materie mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung im Femtosekundenbereich werden Prozesse induziert, die etwa 1000-fach schneller ablaufen. Mittels der Anrege-Abfrage-Technik, auch Pump-Probe genannt, nutzt man die sehr kleine Pulsdauer der Laserstrahlung von bis zu wenigen Femtosekunden zum zeitlichen abtasten einer Oberfläche aus. Das Prinzip ist immer dasselbe: Laserstrahlung wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der eine Teilstrahl dient der Anregung, dem „Pumpen“ einer Oberfläche, die dabei erhitzt, aufgeschmolzen, zersetzt oder verdampft werden kann. Der zweite Teilstrahl dient der Abtastung und bestrahlt die Oberfläche. Da die Strahlung gepulst ist, müssen der erste und der zweite Teilstrahl durch eine optische Verzögerungstrecke zueinander verschoben werden. Die Belichtungszeit wird somit nicht durch die Kamera limitiert, sondern durch die Pulsdauer der Probelaserstrahlung. Die Kunst bei der Pump-Probe-Messtechnik ist die geeignete Präparation der Anrege- und Abfrage-Laserstrahlung, nämlich so, dass möglichst nur eine physikalische Größe bei der Messung verändert wird. Da dies bei komplexen Vorgängen, wie der Laserablation, nicht immer gegeben ist, müssen komplementäre Messmethoden eingesetzt werden, wie die Pump-Probe Ellipsometrie, Schattenphotographie oder 2D-IR-Spektroskopie.

Mittels Schlieren- und Schattenphotographie kann bspw. die Ablationsdynamik bei der Hochrate-Laserbearbeitung genau untersucht werden, die durch moderne Hochleistungslasergeräte und Strahlablenkungseinheiten ermöglicht wird. Die bei der Hochrate-Laserbearbeitung umsetzbaren neuen Prozessfenster bieten neue industrielle Anwendungsgebiete, resultieren aber auch in neuen Herausforderungen, da neue bzw. vorher untergeordnete physikalische Effekte auftreten können. Zum Beispiel konnte in der Literatur gezeigt werden, dass beim Schweißen mit hohen mittleren Leistungen ein sich periodisch bildendes Plasma den Prozess stört. Diese sogenannte Plasmaabschirmung (plasma shielding) und der Einfluss der bei der Bearbeitung entstehenden Materialdämpfe (particle shielding) sind einige der sichtbaren parasitären Effekte.

Zum weiteren Verständnis über den zeitlichen und räumlichen Ablauf der laserinduzierten Prozesse oberhalb der Materialoberfläche wird während der Bearbeitung dieser Bereich mittels der Pump-Probe-Methode betrachtet. Anhand der erzeugten Aufnahmen sollen die Prozess- und Anlagenparameter angepasst werden, um die Laserprozesse hinsichtlich Qualitätsaspekten, Zeit- und Ressourceneffizienz zu optimieren. In den Aufnahmen können Erkenntnisse über die Generierung und Entwicklung der Stoßwellen, Ablationswolken, Plasmen und Partikelcluster gewonnen werden.

Die Untersuchungen am Laserinstitut Hochschule Mittweida werden auf verschiedenen Materialien mit verschiedenen Laserstrahlquellen durchgeführt. Des Weiteren wurde die Bearbeitung im stationären Fall (Bohren) bis hin zu Strahlablenkgeschwindigkeiten im Überschallbereich visualisiert. Dabei kann auf das am LHM verfügbare große Spektrum an Technik zurückgegriffen werden. Zum Einsatz kommen verschiedene Ablenkeinheiten, Galvanometer- und Polygonscanner, Kameratechnik, elektronische Analysegeräte und natürlich eine Variation von Laserstrahlquellen.

 

Entwicklung innovativer Lasertechnologien für die sächsische Wirtschaft (Eila-Sax)

Laufzeit: 2018 - 2021
Förderung: SMWK / EU (ESF Nachwuchsforschergruppe)
Projektpartner:
  • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
  • Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn
  • Prof. Dr. rer. nat. S. Weißmantel
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. U. Löschner
Webseite: www.laser.hs-mittweida.de/institut/projekte/eila-sax.html

 

Entwicklung von Produkt- und Prozessinnovationen HSMW 2017, TP1: Prozessverständnis und -parameter zum schädigungsarmen und selektiven Abtragen dünner organischer Schichten der organischen Elektronik (OE) durch resonante und zwei-Photonen-resonante Anregung

Laufzeit: 2017 - 2019
Förderung: SMWK
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn

 

Ultrapräzisions-Laserbearbeitung (UltraLas)

Laufzeit: 2015 - 2019
Förderung: SMWK / EU (ESF Nachwuchsforschergruppe)
Projektpartner:
  • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
  • Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn
  • Prof. Dr.-Ing. U. Löschner
Projektleitung: Prof. Dr. rer. nat. S. Weißmantel
Webseite: www.laser.hs-mittweida.de/institut/projekte/ultralas.html
M. Olbrich, T. Pflug, C. Wüstefeld, M. Motylenko, S. Sandfeld, D. Rafaja, A. Horn:
Hydrodynamic modeling and time-resolved imaging reflectometry of the ultrafast laser-induced ablation of a thin gold film,
In: Optics and Lasers in Engineering 129 (2020)

S. Kraft, J. Schille, S. Mauersberger, L. Schneider, U. Loeschner:
Pump-probe imaging for process control and optimization in high-speed laser micro machining,
In: Proceedings of SPIE 11268 (2020)

S. Kraft, J. Schille, S. Mauersberger, L. Schneider, U. Loeschner:
Time-resolved visualization of high-repetition ultrashort pulse laser ablation,
In: Applied Optics 59 (2020), Nr. 2, S. 452-458

T. Pflug, M. Olbrich, A. Horn:
Dynamik des komplexen Brechungsindexes von Gold nach Anregung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung,
In: Scientific Reports, 11. Mittweidaer Lasertagung 1/2019, S. 177-180

S. Kraft, J. Schille, S. Mauersberger, L. Schneider, U. Löschner:
Zeitaufgelöste Visualisierung von Ultrakurzpuls-Laserprozessen mit schneller Strahlablenkung,
In: Scientific Reports, 11. Mittweidaer Lasertagung 1/2019, S. 142-145

P. Lungwitz, T. Pflug, M. Olbrich, A. Horn:
Untersuchung der Anregungsmechanismen von PMMA mit ultrakurz gepulster mid-IR Laserstrahlung,
In: Scientific Reports, 11. Mittweidaer Lasertagung 1/2019, S. 62-65

M. Olbrich, T. Pflug, P. Lungwitz, A. Horn:
Modellierung und zeitaufgelöste Messung des Abtrages von Goldschichten unterschiedlicher Schichtdicke durch ultrakurz gepulster Laserstrahlung,
In: Scientific Reports, 11. Mittweidaer Lasertagung 1/2019, S. 45-49

T. Pflug, M. Olbrich, R. Roesch, U.S. Schubert, H. Hoppe, A. Horn:
Investigations on the modification of PMMA by ultrafast laser radiation from the UV to the mid-IR spectral range,
In: Optics and Lasers in Engineering 111 (2018), S. 130-134

T. Pflug, J. Wang, M. Olbrich, M. Frank, A. Horn:
Case study on the dynamics of ultrafast laser heating and ablation of gold thin films by ultrafast pump-probe reflecotmetry and ellipsometry,
In: Applied Physics A 124 (2018), Nr. 2, S. 190

T. Pflug, M. Olbrich, M. Frank, A. Horn:
Untersuchung der dynamischen Prozesse beim Erwärmen und Abtragen dünner Goldschichten nach Anregung mit ultrakurz gepulster Strahlung,
In: Scientific Reports, 10. Mittweidaer Lasertagung 2/2017, S. 119-122

M. Olbrich, M. Frank, T. Pflug, A. Horn:
Vergleich verschiedener physikalischer Modelle zur Beschreibung der polarisationsabhängigen Reflektometrie und Ellipsometrie,
In: Scientific Reports, 10. Mittweidaer Lasertagung 2/2017, S. 111-114

A. Streek:
Laserprozessanalyse bei schneller Strahlablenkung im Zweidimensionalen,
In: Tagungsband des BLZ Workshop Optimierung der Prozessgeschwindigkeit in der Lasermaterialbearbeitung (2015)

J. Schille, L. Schneider, M. Müller, U. Löschner, N. Goddard, P. Scully, H. Exner:
Highspeed Laser Micro Processing using Ultrashort Laser Pulses,
In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 9 (2014), Nr. 2, S. 161-168

U. Orthaber, R. Petkovsek, J. Schille, L. Hartwig, G. Hawlina, B. Dronsek-Olup, A. Vrecko, I. Poberaj:
Effect of laser-induced cavitation bubble on a thin elastic membrane,
In: Optics & Laser Technology 64 (2014), S. 94-100

J. Schille, L. Schneider, M. Mueller, U. Loeschner, N. Goddard, P. Scully, H. Exner:
Highspeed Laser Micro Processing using Ultrashort Laser Pulses,
In: Proceedings of 6th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (2013)

J. Schille, L. Schneider, L. Hartwig, U. Löschner, R. Ebert, P. Scully, N. Goddard, H. Exner:
Characterisation of interaction phenomena in high repetition rate femtosecond laser ablation of metals,
In: Proceedings of International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (2012), S. 949-958

I. Mingareev, A. Horn:
Melt dynamics of aluminum irradiated with ultrafast laser radiation at large intensities,
In: Journal of Applied Physics 106 (2009), Nr. 013513

A. Horn:
Ultra-fast Material Metrology,
Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2009, ISBN: 3-527-40887-8

A. Streek, K. Kujawa, L. Hartwig, S. Klötzer, J. Schille, U. Löschner, R. Ebert, B. Steiger, H. Exner:
Visualisierung von Laser-Material-Wechselwirkungsprozessen,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 4/2009, S. 65-71

A. Horn:
Ultra-fast optical metrology and engineering technology,
Aachen: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Habilitation, 2009

A. Horn, I. Mingareev, A. Werth, M. Kachel, U. Brenk:
Investigations on ultrafast welding of glass-glass and glass-silicon,
In: Applied Physics A 93 (2008), Nr. 1, S. 171-175

A. Horn, I. Mingareev, U. Brenk:
Non-interferometric transient quantitative phase microscopy for ultrafast engineering,
In: Applied Physics A 93 (2008), Nr. 1, S. 165-169

I. Mingareev, A. Horn,:
Time-resolved investigations of plasma and melt ejections in metals by pump-probe shadowgraphy,
In: Applied Physics A 92 (2007), Nr. 4, S. 917-920

M. Brajdic, M. Hermans, A. Horn, I. Kelbassa:
In situ measurement of plasma and shock wave properties inside laser-drilled metal holes,
In: Measurement Science and Technology 19 (2008), Nr. 10, S. 105703

J. Dietrich, M. Brajdic, K. Walther, A. Horn, I. Kelbassa, R. Poprawe:
Investigation of increased drilling speed by online high-speed photography,
In: Optics and Lasers in Engineering 46 (2008), Nr. 10, S. 705-710

I. Mingareev, A. Horn:
Investigations of the ultrafast laser induced melt dynamics by means of transient quantitative phase microscopy (TQPm),
In: Proceedings of SPIE 7005 (2008)

A. Horn, I. Mingareev, A. Werth:
Investigations on melting and welding of glass by ultra-short laser Radiation,
In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 3 (2008), Nr. 2, S. 114-118

A. Horn, I. Mingaeev, A. Werth, M. Kachel:
Joining of thin glass with semiconductors by ultra-fast high-repetition laser welding,
In: Proceedings of SPIE 6880 (2008)

A. Horn, I. Mingareev, J. Gottmann, A. Werth, U. Brenk:
Dynamical detection of optical phase changes during micro-welding of glass with ultra-short laser radiation,
In: Measurement Science and Technology 19 (2008), Nr. 1, S. 015302

A. Horn, C. Kaiser, R. Ritschel, T. Mans, P. Russbüldt, H.D. Hoffmann, R. Poprawe:
Si-Ka radiation generated by the interaction of femtosecond laser radiation with silicon,
In: Jourmal of Physics: Conference Series 59 (2007), S. 159-163

A. Horn I. Mingareev, I. Miyamoto:
Ultra-fast diagnostics of laser-induced melting of matter,
In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 1 (2006), Nr. 3, S. 264-268

I. Mingareev, A. Horn, E.W. Kreutz:
Observation of melt ejection in metals up to 1 µs after femtosecond laser irradiation by a novel pump-probe photography setup,
In: Proceedings of SPIE 6261 (2006)

G. Ligbado, A. Horn, E.W. Kreutz, M. Krauß, N. Siedow, H. Hensel:
Coloured marking inside glass by laser radiation,
In: Proceedings of SPIE 5989 (2005)

E.W. Kreutz, A. Horn, R. Poprawe:
Electron excitation in glasses followed by time- and space-measuring tools,
In: Applied Surface Science 248 (2005), S. 66-70

E.W. Kreutz, A. Horn, R. Poprawe:
Electron excitation in glasses and sapphire followed by time- and space-measuring tools,
In: Proceedings of SPIE 5620 (2004), S. 239

R. Wagner, J. Gottmann, A. Horn, E.W. Kreutz:
Formation of subwavelength-laser-induced periodic surface structures by tightly focused femtosecond laser radiation,
In: Proceedings of SPIE 5662 (2004), S. 168

A. Horn, E.W. Kreutz, R. Poprawe:
Ultrafast time-resolved photography of femtosecond laser induced modifications in BK7 glass and fused silica,
In: Applied Physics A 79 (2004), Nr. 4, S. 923-925

A. Horn, E. W. Kreutz, R. Poprawe:
Time-resolved-photography and transient absorption spectroscopy of excited dielectrics by infrared ultrashort laser radiation,
In: Proceedings of the 1st Pacific International Conference on Applications of Lasers and Optics (2004), S. 1-4

K. Nomura, E. Ohmura, A. Horn, I. Miyamoto:
Theoretical analysis of second harmonic characteristics generated by KTiOPO4 crystal,
In: Proceedings of SPIE 5063 (2003), S. 514

A. Horn, H. Khajehnouri, E. W. Kreutz, R. Poprawe:
Ultrafast Pump and Probe Investigations on the Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Glass,
In: Proceedings of SPIE 4948 (2003), S. 393-400

A. Horn, H. Khajehnouri, E. W. Kreutz, R. Poprawe:
Time Resolved Optomechanical Investigations on the Interaction of Laser Radiation with Glass in the Femtosecond Regime,
In: Proceedings of International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, LIA (Series) 94 (2002), S. 1577-1585

E.W. Kreutz, R. Weichenhain, A. Horn:
Nd:YAG laser micromachining of SiC precision structures for MEMS,
In: Proceedings of SPIE 4407 (2001), S. 109

A. Horn, R. Weichenhain, E.W. Kreutz, R. Poprawe:
Dynamics of laser-induced cracking in glasses at a picosecond time scale,
In: Proceedings of SPIE 4184 (2001), S. 539-544

E.W. Kreutz, T. Berden, R. Weichenhain, A. Horn, M. Jacquorie:
Strukturieren mit Laserstrahlung,
In: Schweizer Verband für die Materialtechnik 1/2000, S. 4-8

Anfragen
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Horn
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1069
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21069
eMail: horn4(at)hs-mittweida.de

Prof. Dr.-Ing. Udo Löschner
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1336
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21336
eMail: udo.loeschner(at)hs-mittweida.de