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7.1. DIE LASERABLATION UND PLASMAERZEUGUNG 189
der flüssigen Phase ist meist geringer als in der festen und somit kann die nun folgende Energie
schlechter abtransportiert werden. Das erhitzte Volumen verkleinert sich, die erreichbaren
Temperaturen steigen aber. Ist der Siedepunkt erreicht, setzt Vaporisation ein. Bei Langpulslasern
ist auch in dieser Phase der Verlust von Energie durch Wärmeleitung der begrenzende
Faktor, während bei Nanosekundenpulsen die Energie schneller zu- als abgeführt wird. Hier
spielt die latente Wärme bei der Vaporisation des Materials die dominierende Rolle. Nehmen
wir zunächst einmal an, der Laserpuls sei sehr viel länger als die Zeit, die zum Abtransport
der erzeugten Wärme benötigt wird (Wärmefluß). Dann stellt sich ein lokales Gleichgewicht
ein. Sei S die Leistungsdichte (W/m 2 ), und t die Zeit, so ist die übertragene Energie
E = St (7.4)
Die spezifische Energie (J/kg) bestimmt sich mittels der thermischen Leitfähigkeit a (m 2 /s)
und der Dichte des Targets ρ (kg/m 3 ) zu
Eρ =
F t
ρ √ at
Vaporisation setzt ein, wenn die latente Wärme für Vaporisation LV überschritten wird:
S ≥ LV
ρ √ a
√t
(7.5)
(7.6)
Im Falle eines Kurzpulslasers (τ 10 9 Wcm −2 ist der Wärmetransport zu langsam für die Ausbildung eines
Gleichgewichts. Man spricht hier von einem Nichtgleichgewicht durch Überhitzung. Statt
eines Aufschmelzens kommt es zu direkten Ionisationsprozessen, teilweiser Reflektion des Laserlichts
(Thomson Streuung) und Plasmabildung.
Die Zeit, die benötigt wird die Oberfläche auf Siedetemperatur zu erhitzen, kann mittels der
Wärmekapazität cP abgeschätzt werden
tv = πaρcP
∆T (7.7)
4S2 wobei ρ die Dichte des Festkörpers ist und ∆T der zur Vaporisation nötige Temperaturanstieg.
Wird innerhalb des Laserpulses ein Gleichgewichtszustand erreicht, so folgt die Vaporisationsrate
kV ([V]=g cm −2 s −1 ) der Gleichung
kV =
S
c∆T + LV
(7.8)
Der erste Term beschreibt die Energie zur Erwärmung auf die Siedetemperatur, der zweite
die Energie zur Vaporisation.