Mikroskopische Prozesse bei der Wechselwirkung von Festkörpern mit Laserpulsen im Subpikosekundenbereich

Gegenstand dieser Arbeit sind die durch die Wechselwirkung eines Festkörpers mit einem ultrakurzen Laserpuls auf Zeitskalen von Femtosekunden bis Pikosekunden im Material stattfindenden mikroskopischen Prozesse. Betrachtet wird die Absorption des Laserlichtes durch inverse Bremsstrahlung, Stoßprozesse der freien Elektronen untereinander und mit dem Gitter sowie für die Beschreibung von Isolatoren auch Ionisationsprozesse. Es wird gezeigt, daß die Temperaturabhängigkeit dieser Stoßprozesse für die Beschreibung der Wärmeleitung wichtig werden kann. Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit besteht in der Modellierung des zeitlichen Verhaltens des Elektronengases bei Laseranregung, Thermalisierung und Relaxation. Es werden Boltzmann'sche Stoßterme aufgestellt, die frei von phänomenologischen Parametern sind, so daß die Beschreibung auch für ein stark im Nicht-Gleichgewicht befindliches Elektronengas anwendbar ist. Die Ergebnisse zeigen für Metalle am Beispiel von Aluminium, daß insbesondere bei kurzen Pulsdauern und schwachen Anregungen die Elektron-Phonon Kopplung und damit die Energieabgabe an das Gitter nach dem Laserpuls aufgrund des nicht-thermalisierten Elektronengases verzögert ist. Bei stärkeren Anregungen, die zur Schädigung des Materials führen können, ist dagegen das Zwei-Temperatur Modell anwendbar. Es wird eine Thermalisierungszeit des Elektronengases ermittelt, die bis zu etwa 500 fs betragen kann. Zur Beschreibung von Isolatoren wird das Modell durch zwei Stoßterme für die Ionisierung von Valenzelektronen erweitert. Die Multiphoton-/Tunnelionisation wird bei Pulsen im Femtosekundenbereich als entscheidender Ionisationsprozess identifiziert. Die Stoßionisation liefert dagegen einen vergleichsweise geringen Beitrag und ist bei Pulsdauern im Femtosekundenbereich nicht durch eine einfache Ratengleichung beschreibbar. Die Abschätzung von Schadensschwellen für SiO2 ist in guter Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen.