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Modellierung &
Simulation
Lasertechnologien
Modellierung & Simulation
Dank moderner Rechentechnik trägt die multiphysikalische skalenübergreifende Modellierung und Simulation der Laserstrahlung-Materie-Wechselwirkung wesentlich zum Verständnis von Laserprozessen bei und ermöglicht somit eine gezielte Entwicklung von angepassten Lasersystemen, Bearbeitungsmöglichkeiten von Materialien oder komplett neuen Anwendungsfeldern von Laserstrahlung und laserbasierter Messtechnik. Neben den speziell auf die Lasertechnik zugeschnittenen Simulationen stellt die Berechnung der Propagation von Laserstrahlung mit verschiedensten Methoden zum Design und zur Optimierung von Strahlengängen oder auch zur Unterstützung von unterschiedlichen Methoden der optischen Messtechnik einen wichtigen Teilbereich am LHM dar. Ebenso zählt auch die fundamentale Modellierung der Struktur von Molekülen sowie die während der Bildung der Moleküle stattfindenden Dynamik zu den Hauptbereichen der am LHM durchgeführten Forschungen im Bereich der Modellierung und Simulation.
Thermofluiddynamik
Die multiskalige Berechnung der durch Laserstrahlung induzierten Dynamik der Temperatur-, Druck- und Dichteverteilung sowie der daraus resultierenden Ablation von Material kann mit Hilfe von verschiedenen Modellen numerisch am LHM berechnet werden. Durch die aus den Simulationen gewonnenen Erkenntnisse können u.a. die Topologie der entstehenden Abtragsstrukturen erklärt oder die Ergebnisse der zeit- und ortsaufgelösten Messtechnik interpretiert werden.
Berechnete zeitliche Entwicklung der axialen Temperaturverteilung von Nickel nach Bestrahlung mit gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 100 ns) für vier verschiedene Repetitionsraten und für eine konstante mittlere Leistung von 10 W.
Berechnete Trajektorien im Phasendiagramm von Gold nach Bestrahlung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 40 fs) für verschiedene Spitzenfluenzen.
Experimentell bestimmte orts- und zeitaufgelöste relative Änderung des Reflexionsgrades einer 200 nm dicken Goldschicht nach Bestrahlung mit einem Einzelpuls von ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 40 fs, Spitzenfluenz 2,5 J/cm²) im Vergleich zur simulierten Elektronentemperatur und Dichte sowie der Veränderung der Position der Materialoberfläche.
Berechnete quasi-zweidimensionale Verteilung der Dichte und der Elektronentemperatur von Gold nach der Bestrahlung mit einem Einzelpuls von ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 40 fs) zum Zeitpunkt von 400 ps für drei verschiedene Spitzenfluenzen.
Berechnete quasi-zweidimensionale Verteilung der Dichte einer 200 nm dicken Goldschicht nach der Bestrahlung mit einem Einzelpuls von ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauer 40 fs, Spitzenfluenz 2,5 J/cm²) für verschiedene Zeitpunkte nach der Anregung.
Strahlpropagation
Die numerische Berechnung der Propagation von Laserstrahlung kann am LHM mit Hilfe von strahlenoptischen, wellenoptischen sowie rigorosen Berechnungsmethoden erfolgen, wobei letztere noch zwischen den Randelementmethoden (Propagationsoperatoren) und den Berechnungen der Elektrodynamik für ein Kontinuum unterschieden werden. Für jeden spezifischen Anwendungsfall können die dafür passenden Berechnungsmethoden ausgewählt und kombiniert werden. So z.B. das Optikdesign mit Hilfe von strahlenoptischer und wellenoptischer Berechnungsmethoden sowie den Propagationsoperatoren oder die Wechselwirkung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit einer bestehenden Ablationswolke durch die Elektrodynamik des Kontinuums. Dafür kann und muss zusätzlich die Kopplung mit der simulierten Thermofluiddynamik erfolgen.
Vergleich von analytischer strahlenoptischer Berechnung (links), wellenoptischer Berechnung (mittig) und rigoroser Berechnung mittels Winkelspektrum ebener Wellen (rechts, Propagationsoperator) am Beispiel der Fokussierung von Laserstrahlung in Glas.
Mittels Fresnel-Kirchhoff’schem Beugungsintegral (Propagationsoperator / rigorose Berechnungsmethode) berechnete normierte Intensitätsverteilung nach einem Spalt (oben) und nach einer kreisförmigen Blende (unten).
Vergleich der mittels Fermat-Raytracer (oben, strahlenoptische Berechnungsmethode) und mittels Wellengleichung (unten, rigorose Berechnungsmethode) berechneten Einkopplung von Laserstrahlung in eine Stufenindexfaser (links) und in eine Gradientenindexfaser (rechts).
Vergleich der mittels Fermat-Raytracer (links, strahlenoptische Berechnungsmethode) und mittels Wellengleichung (rechts, rigorose Berechnungsmethode) berechnete Streuung von Laserstrahlung in einer Ablationswolke bestehend aus Partikeln verschiedener Größe.
Vergleich der simulierten Propagation von Laserstrahlung durch ein Retrofokusobjektiv / einem Objektiv mit großem Arbeitsabstand mit Hilfe von analytischen strahlenoptischen Berechnungen (oben) und rigorosen Berechnungen mittels Fesnel-Kirchhoff’schem Beugungsintegral (unten, Propagationsoperator).
Integrative Strukturmodellierung und Simulation von RNA
Die Struktur von Ribonukleinsäuren kann dazu beitragen wichtige Prozesse in Zellen besser zu verstehen. Durch integrative Strukturmodellierung mithilfe von experimentellen FRET-Daten können Strukturen der RNA aufgeklärt werden. Dabei werden de novo Modelle der RNA erstellt und die RNA-Bewegung und Farbstoffdynamik simuliert um anschließend die Strukturmodelle mithilfe von Experimentellen Daten zu evaluieren.
Eine Simulationsbox für MD-Simulationen. Die Strukturmodelle der RNA werden in einer Simulationsbox platziert und mit Wassermolekülen und Ionen aufgefüllt. Mithilfe der MD-Simulation können Bewegungen der RNA und von Fluoreszenzfarbstoffen simuliert und ausgewertet werden.
Ausgehend von einer RNA-Sequenz können mit der integrativen Modellierung ein Strukturmodell gebildet, mit Farbstoffen markiert, simuliert und am Ende FRET-Effizienzen bestimmt werden. Der Vergleich mit experimentellen Daten evaluiert das Modell.
Modell eines RNA-Tertiärkontaktes mit Fluoreszenzfarbstoffen und deren freien Bewegungsvolumina.