Experimentalphysik und Physikalische Technik

Plasmaphysik


Bild 1
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Bruchkante und strukturierte Oberfläche einer mit einem Plasmaverfahren aufgedampften Zinkschicht.


Bild 2
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Leuchtender Plasmaball eines Vakuumbogens; unterhalb des Plasmaballs: glühender Anodentiegel; rechts: Kathode mit helen Kathodenflecken.

Wie Sie wissen, bestehen Atome aus einem positiv geladenen Kern, umgeben von negativ geladenen Elektronen. Heizt man ein Gas extrem stark auf, so können durch die Zusammenstöße der Atome untereinander Elektronen vom Atom getrennt werden, und es entsteht ein Gas geladener Teilchen, ein Plasma. Ein solches Plasma besitzt eine Reihe von interessanten Eigenschaften, die es völlig von einem kalten Gas unterscheiden. Es ist ein guter Leiter für elektrischen Strom und kann deshalb durch elektrische und magnetische Kräfte geformt werden. "Plasmastrukturen" findet man an den verschiedensten Stellen im Weltraum: in Eruptionen auf der Sonnenoberfläche, im Schweif von Kometen oder in den Resten eines Supernovaausbruches. Genau besehen ist der "Plasmazustand" die am weitesten verbreitete Form der Materie in der Welt: Praktisch alle Sterne bestehen aus Plasma, aber auch die stark verdünnte Materie zwischen den Sternen gehorcht den Gesetzen der Plasmaphysik. Die Plasmaphysik bildet also die Grundlage für ein Verständnis der Physik der Sterne.

Auch auf der Erde kommen Plasmen in der Natur vor - wie etwa der Blitz -, bilden aber eher die Ausnahme. Dagegen nimmt die Bedeutung der Plasmaphysik in der Technik ständig zu. An einigen Stellen sind Plasmen schon in unsere tägliche Umgebung eingedrungen: das leuchtende Gas in der Neonröhre, der Funken der Zündkerze im Verbrennungsmotor, der Lichtbogen des Schweißbrenners. An anderen Stellen sieht man nur die Resultate wie z.B. Werkzeuge aus oberflächengehärtetem Stahl, deren Herstellung Plasmaverfahren benötigen. Hier eröffnet sich ein unabsehbares Feld von Anwendungen, die in unmittelbarer Zukunft in die Fertigungsverfahren der Industrie Einzug halten werden. Für die fernere Zukunft bietet die Plasmaphysik die Chance, eines der Hauptprobleme der Menschheit zu lösen: die gefahrlose und umweltschonende Versorgung mit Energie durch die kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium. Wie das im einzelnen zu bewerkstelligen ist, weiß man noch nicht. Aber eins ist auch heute schon klar: Das Arbeitsgas muß im Plasmazustand vorliegen.

In unserem Fachbereich untersuchen wir Erzeugung, Aufheizung und Vermessung von Plasmen, wie sie im Randbereich der großen Apparaturen zur Kernfusion, bei der Behandlung von Oberflächen und bei plasmachemischen Verfahren auftreten. Der Dichtebereich erstreckt sich von dem Normalbereich eines Gases bis zu Dichten bei Hochvakuumbedingungen, die Temperaturen erstrecken sich von einigen 1000 K bis zu 500 000 K. Bei der Entwicklung von Meßmethoden (Wie mißt man 500 000 K?) stützen wir uns auf die modernen Lasertechniken und das Know-how in den optischen Arbeitsgruppen.

Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Entwicklung von Dünnschichttechnologien, wie plasmaphysikalischen Beschichtungsverfahren, und der Untersuchung der so erzeugten Schichten. Hieran wird sowohl in der Experimentalphysik als auch in der Physikalischen Technik gearbeitet.

Laserphysik

Bild 4 (137kB) Elektronenmikroskopaufnahme eines Kraters in einer Siliziumoberfläche, erzeugt durch sehr intensiven Laserblitz.

Bild 5 (135kB) Elektronenmikroskopaufnahme einer rauhen Siliziumoberfläche, die mit einem Laserblitz aufgeschmolzen wurde. Die Schmeltze erstarrte anschließend mit glatter Oberfläche.

Laser sind Lichtquellen mit besonders nützlichen und interessanten Eigenschaften. In einer "normalen" Lichtquelle, z.B. einer Glühlampe, senden die einzelnen Atome Lichtwellen unabhängig voneinander in ungeordneter Weise aus. Der Laser dagegen bringt es fertig, alle Atome im gleichen Takt senden zu lassen, so daß sich die Lichtwellen der einzelnen Atome immer richtig überlagern und dadurch verstärken. Man kann auf diese Weise auch Licht erzeugen, das viel intensiver ist als Licht von gewöhnlichen Lichtquellen.

Bei uns werden neue Laser entwickelt, die extrem kurze Lichtblitze aussenden. Die Impulsdauer beträgt etwa 1e-13 s oder sogar noch weniger. Dazu kann man sich vergegenwärtigen, daß eine Lichtschwingung etwa 1e-15 s dauert. Diese Laserimpulse bestehen also nur aus ca. 100 Lichtschwingungen.

Wozu braucht man solche kurzen Laserimpulse? Das wird vielleicht klar, wenn man sich an die Funktion eines Blitzgerätes in der Photographie erinnert. Man kann sehr schnelle Vorgänge aufnehmen, ohne daß das Bild durch den schnellen zeitlichen Ablauf verwaschen wird, z.B. ein Rennauto in voller Fahrt. Mit den superkurzen Laserimpulsen als Beleuchtung lassen sich auch Momentaufnahmen herstellen, nur mit den fast unvorstellbaren kurzen Belichtungszeiten von 1e-13 s. Es gibt in der Natur im atomaren und molekularen Bereich eine Fülle von Vorgängen, die entsprechend schnell verlaufen. In jeder Flüssigkeit beispielsweise wirbeln die Moleküle so schnell durcheinander. Wir untersuchen nun mit Hilfe des kurzen Laserblitzes den zeitlichen Ablauf von solchen schnellen atomaren Prozessen, und zwar hauptsächlich in festen Materialien wie Halbleitern und Metallen.

Die superkurzen Laserimpulse sind aber noch aus einem anderen Grund interessant. Obwohl die Impulse nicht sehr viel Energie besitzen, erreicht man riesige momentane Leistungen, die für ganz kurze Zeit vergleichbar sind mit der Leistung aller Kraftwerke der Erde zusammengenommen (ca. 10 Terawatt = 1e13 W). Niemand weiß zur Zeit genau, was mit dem Material geschieht, das mit solchen Laserimpulsen bestrahlt wird. Wir sind dabei, solche Vorgänge zu untersuchen.

Oberflächenphysik

Viele auch technisch wichtige Prozesse könnten gar nicht so einfach stattfinden, wenn es keine Oberflächen gäbe. Oberflächen können nicht nur Moleküle und Atome sammln (Adsorption), sondern auch ihre Eigenschaften verändern. Zum Beispiel können Molekle beim Anlagern an geeigneter Oberfläche (Platin!) in ihre Bestandteile zerlegt werden. Diese sind dann viel reaktionsfähiger als das ursprüngliche Molekül und können sich mit anderen absorbierten Atomen zu neuen Verbindungen zusammenfinden. Dies ist ein Mechanismus der Katalyse, die es erlauht, neue Verbindungen unter Umständen herzustellen, unter denen sie ohne Anwesenheit der OberfIäche nicht entstehen würden. Solche Katalysatoren werden vielerorts eingesetzt: in der chemischen Industrie, im Auto usw.

In unserem Fachbereich beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe mit der Untersuchurg von katalytischen Prozessen an Oberflächen. Oberflächenspezifische Diagnoseverfahren (Elektronenstreuung, thermische Desorption, Wechselwirkung mit Licht) werden elingesetzt, um die Prozesse zu verfolgen.

Sonderforschungsbereich

Zur Untersuchung von Niedertemperaturplasmen, wie sie in vielen technischen Anwendungen eingesetzt werden, haben sich die Arbeitsgruppen aus den universitäten Bochum, Essen, Düsseldorf und aus Forschungszentrum Jülich zur "Arbeitsgemeinschaft Plasmaphysik (APP)" zusammengeschlossen., Ihre Aktivitäten werden gemeinsam gefördert in dem Sonderforschungsbereich 191 "Physikalische Grundlagen der Niedertemperaturplasmen".

Sonderforschungsbereiche sind Einrichtungen der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die bestimmte Schwerpunkte gewidmet sind und eine besondere finanzielle Förderung (Stellen, Apparaturen) erfahren.

Das Institut für Laser- und Plasmaphysik

Die Forschungsinteressen unserer Laser-Physiker und unserer Plasma-Physiker treffen sich auf dem Gebiet der Oberflächenphänomene. Welche physikalischen Prozesse laufen beim Kontakt einer Oberfläche mit einem Plasma oder beim Bestrahlen einer Oberfläche mit Lasern ab? Dies sind einerseits für die Grundlagenforschung und andererseits für die Technik der Behandlung von Oberflächen sehr wichtige Fragen. Zur Erforschung solcher Phänomene haben sich in unserem Fachbereich Plasma-Physiker und Laser-Physiker zu einem Institut zusammengeschlossen.

Institut für Laser- und Plasmaphysik

Optische Informationsverarbeitung


Bild 6
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Computerberechnetes Hologramm.


Bild 7
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Durch Beleuchtung des Hologramms (Bild 6) mit Laserlicht erhält man die hier wiedergegebene optische Rekonstruktion.

Wer kennt nicht die beeindruckende Klangqualität der Musikwiedergabe einer CD? Vielleicht haben Sie auch schon von optischen Speichern für Computer, vom Bildtelefon oder von einem optischen Computer gehört. In allen diesen Beispielen geht es um die optische Speicherung, Verarbeitung oder Übertragung von in Zahlenreihen übersetzter, d.h. digitalisierter Information (Sprache, Bilder, Musik).

Eine CD ist ein optischer Speicher, aus dem die Informationen nacheinander (sequentiell) abgelesen werden. Dies ist das traditionelle Prinzip der Informationsübertragung und Verarbeitung. Ein großer Vorteil der Optik besteht aber in der Möglichkeit zur gleichzeitigen (parallelen) Informationsverarbeitung: Die unzähligen Punkte eines Bildes können ein optisches System gleichzeitig durchlaufen. Man erreicht damit extrem hohe Übertragungsdichten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten. An der Weiterentwicklung dieser Methode wird bei uns gearbeitet.

Wir verwenden Laserlicht, dem beim Durchgang durch ein Hologramm die gewünschte Information aufgeprägt wird. Mit "Hologramm" ist hier die "Maske" gemeint, grob gesprochen, eine Art Dia, das Amplitude und Phase des durchgehenden oder reflektierten Lichtes so verändert, daß für den Betrachter im Raum ein dreidimensionales Bild entsteht. Typischerweise wird ein Hologramm durch Abbildung eines wirklich existierenden Gegenstandes hergestellt; bei uns aber werden Verfahren entwickelt, die Struktur eines Hologramms mit dem Computer zu berechnen. Es wird dann computergesteuert mit Hilfe eines fein fokussierbaren Lasers hergestellt. So kann man räumliche Bilder von Dingen erzeugen, die nie wirklich vorhanden waren! Solche computererzeugten Hologramme werden sowohl als optische Speicher als auch als Verarbeitungselemente eingesetzt.

Die Techniken der digitalen Signal- und Bildverarbeitung und optischen Musterkennung spielen auch bei der Entwicklung automatisch arbeitender, rechnergesteuerter Geräte und Verfahren eine immer größere Rolle. Diese Anwendungen reichen von der Erkennung von Strichcodes unter extremen Bedingungen oder der Erkennung der vollständigen Füllung von Packungen bis hin zur Erkennung von Typenbezeichnungen auf Werkstücken, unabhängig von deren Lage und Größe. An der Entwicklung und Verbesserung solcher Verfahren wird bei uns in der Physikalischen Technik gearbeitet.

AG Bryngdahl

Defekte in Festkörpern

Viele technische Anwendungen nutzen Störungen im regelmäßigen Aufbau eines Kristalls aus. Signifikante Beispiele sind die Festkörperelektronik und die Festkörperlaser. In beiden Fällen sind atomare Defekte, d.h. Fremdatome, die in den Kristall eingebaut werden, die physikalische Ursache der interessanten Effekte.

Bei uns werden insbesondere (Licht-) Absorptions- und Emissionsprozesse untersucht, die Defekte in Ionenkristallen hervorrufen. Die gemessenen Spektren enthalten wichtige Informationen über die atomare Umgebung der Defekte und über ihren Einfluß auf die Gitterschwingungen.




Letzte Änderung 18.06.1997