Zeitaufgelöste Untersuchungen von Plasmaeffekten bei der Wirkung intensiver Laserstrahlung auf Metalle

Am Fraunhofer EMI werden neuartige Anwendungen erforscht, bei denen kontinuierliche Laserstrahlung von bis zu 10 kW bei Strahldurchmessern im Bereich von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern genutzt wird. Bei derartigen Prozessbedingungen wurden bislang nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen der Laser-Materie-Wechselwirkung durchgeführt. In Voruntersuchungen am EMI konnte gezeigt werden, dass die intensive Laserstrahlung zur Bildung eines Plasmas führt, das die Energieeinkopplung in die Probe signifikant reduziert.
Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Plasmawolke experimentell zu charakterisieren und ein numerisches Modell zu entwickeln, das eine konsistente Beschreibung ermöglicht. Für den experimentellen Teil dieser Arbeit wurden drei verschiedene diagnostische Systeme ausgewählt und bei systematischen Testreihen eingesetzt. Es wurden Proben aus reinem Aluminium und Eisen mit verschiedenen Strahldurchmessern bei einer konstanten Laserleistung bestrahlt. Die Auswertung der experimentellen Daten einer Hochgeschwindigkeitskamera, ortsaufgelöster Spektroskopie und Mach-Zehnder-Interferometer lieferte alle relevanten Plasmaparameter. Es wurden Plasmadynamik (Expansionsgeschwindigkeit von mehreren m/s), Elektronendichten (1017 - 1018 cm-3) und Elektronentempe¬raturen (6000 - 8000 K) für alle Experimente bestimmt.
Für die Einordnung der experimentellen Ergebnisse wurden numerische Modelle entwickelt und Simulationsrechnungen durchgeführt. Ziel war die Simulation von Emissionsspektren, wie sie bei den Experimenten mit Aluminium aufgezeichnet wurden. Diese zeigen eine komplexe Struktur, die durch Elektronendichte- und Temperaturgradienten im Plasma verursacht wird und zu charakteristischen Selbstabsorptionslinien im spektralen Verlauf führt. Es ist gelungen, den spektralen Verlauf für verschiedene Abstände zur Probe sehr gut abzubilden. Die experimentell ermittelten Daten können somit konsistent im Modell reproduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht das Modell auch eine Analyse der Energiebilanz und die Berechnung weiterer Größen, wie dem Ionisierungsgrad und der Abschwächung des Laserstahls in der Plasmawolke. Auf Grundlage dieser Ergebnisse können in Zukunft die Prozessparameter für spezifische Laseranwendungen optimiert werden.