Abel, Torsten (2018)
Zwei-Photonen-Polymerisation zur Erzeugung mikrostrukturierter 3D-Freiformtargets für die Laser-Ionen-Beschleunigung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Methode der Zwei-Photonen-Polymerisation zur Herstellung von Materialproben für die Laser-Ionen-Beschleunigung. Diese Materialproben, welche auch als Targets bezeichnet werden, werden in Experimenten zur Untersuchung von Licht-Materie- Wechselwirkung bei höchster Laserleistung eingesetzt, bei denen insbesondere die Beschleunigung von Teilchen im Mittelpunkt steht. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Implementierung eines ganzheitlichen Verfahrens zur Produktion von dreidimensionalen Freiformtargets. Ziel dabei war es, sowohl den expe- rimentellen Aufbau, als auch eine geeignete Prozesskette für den gesamten Ablauf der Targetherstellung zu etablieren und zu optimieren. Die Stärke der Zwei-Photonen-Polymerisation liegt darin, dass mit ihr sehr hoch aufgelöste, dreidimen- sionale Freiformgeometrien gefertigt werden können. Die bisher in der Targetherstellung vielfach ver- wendeten klassisch mechanischen Herstellungsverfahren (wie zum Beispiel Drehen und Fräsen) sind für solch kleine Freiformstrukturen, in der Größenordnung einiger μm3, weniger geeignet. Die hohe Auflösung der Zwei-Photonen-Polymerisation geht einher mit einer verhältnismäßig langen Produktionszeit, weshalb sich dieses Verfahren besonders für kleine, massenlimitierte Targets eignet. Um diese feinen Mikrostrukturen handhaben zu können, wird eine größere Haltestruktur benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die integrierte Herstellung von Haltestrukturen und hochaufgelösten dreidimensionalen Targets auf Waferbasis möglich ist. Dabei wird eine maskenbasierte UV-Belichtung zur Herstellung der großflächigen Haltestrukturen benutzt, während die mikrostruktu- rierten dreidimensionalen Freiformtargets durch Zwei-Photonen-Polymerisation belichtet werden. Es fanden zwei unterschiedliche Kombinationen (Proben) aus Substratmaterial, Photolack und Opfer- schicht als Ausgangsmaterial Anwendung. Mit beiden Proben konnte nachgewiesen werden, dass es möglich ist, Zwei-Photonen-Polymerisation mit konventioneller UV-Lithographie zu kombinieren. Um die Funktionsweise des Gesamtprozesses zu demonstrieren, wurden unter anderem rückseitenmodulier- te hemispherische Targets produziert. Eine solche Targetgeometrie erlaubt zum Beispiel die experimen- telle Untersuchung der ballistischen Fokussierung eines laserbeschleunigten Teilchenstrahls. Bei der Verwendung eines dieser so hergestellten Targets in einem Experiment zur Laser-Ionen-Beschleu- nigung am Lasersystem PHELIX der GSI im Frühjahr 2018 konnte gezeigt werden, dass eine Teilchenbe- schleunigung mit derartigen Targets möglich ist.

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