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7.4. DIE LASER INDUZIERTE BREAKDOWN DETEKTION 201
7.4.1 Grundlagen der LIBD
LIBD basiert auf der selektiven Erzeugung eines Plasmas im Fokus eines gepulsten Laserstrahls
genau dann, wenn sich ein Partikel in der Fokusregion befindet. Das Plasma der LIBD
wird in einem Mehrstufenprozeß generiert (Abb. 7.9).
Abbildung 7.10:
Zeitliche
Plasmaentwicklung.
Im Gegensatzt zur LA am Festkörper ist in einem Kolloid nur sehr wenig Materie
vorhanden, so daß die in § 7.1.1 diskutierten Effekte anders gewichtet werden
müssen. Zum Beispiel spielen bei so kleinen Partikeln Aufschmelzprozesse eine
geringe Rolle. Meist werden sie vollständig vaporisiert. Gemeinsam ist natürlich
die Grundlage, daß die hohe elektrische Feldstärke (hier ca. 100 MV/m) eng
gebündelten Lichts, einen Zusammenbruch der dielektrischen Eigenschaften des
Mediums zur Folge hat. Quantenphysikalisch heißt das, daß durch Absorption
von 4-6 Photonen innerhalb einiger 100 Pikosekunden Atome oder Moleküle
ionisiert werden. Es entstehen also einzelne freie Ladungsträger. Dieser Prozess
hat eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit – man benötigt 10 15 Photonen
zur Erzeugung eines Elektrons.
Mathematisch läßt sich das Anwachsen der Elektronenanzahl Ne, Gl. (7.13),
als Funktion der vorhandenen neutralen Atome/Moleküle NM [Chin84], der
Leistungsdichte I des Lasers und des MPI (Multi-Photonen Ionisations) Wirkungsquerschnitts
µm ausdrücken. (all diese Größen hängen vom genauen Ort
im Laserfokus ab und variieren zeitlich während des Pulses).
� ∂Ne
∂t
�
MPI
= − ∂NM
∂t
= NM(t)µmI(t) m
(7.13)
Für Nanosekunden-Pulse ist dieser Prozeß sehr unwahrscheinlich und erzeugt
nur einige wenige Elektronen pro Puls. Die Mehrheit der Ladungsträger muß
durch einen zweiten Prozeß erzeugt werden: Die inverse Bremsstrahlung (Abbildung
7.9). Im hohen elektrischen Feld des Lasers werden freie Elektronen auf
Energien beschleunigt die ausreichen, durch Stöße weitere Elektronen aus benachbarten
Atomen herauszuschlagen und eine ’ Elektronenlawine‘ in Gang zu
setzen, die innerhalb weniger ns ein Plasma aus freien Ionen und Elektronen
(20000K, 10 21 Elektronen/m 3 ) aufbaut. Das Anwachsen der Elektronendichte
mit der Zeit folgt der Differentialgleichung
∂Ne
∂t =
� �
� �
∂Ne
∂Ne
+ η(E)Ne −
∂t MPI
∂t loss
η(E) ist die Rate für Stoßionisation durch ein Elektron der Energie E.
(7.14)