This work provides the fundamental knowledge of energy transport characteristics during very short-pulse laser heating of semiconductors from a microscopic viewpoint. Based on the self-consistent hydrodynamic equations, in-situ interactions between carriers, optical phonons, and acoustic phonons are simulated to figure out energy transport mechanism during ultrafast pulse laser heating of a silicon substrate through the detailed information on the time and spatial evolutions of each temperature for carriers, longitudinal optical (LO) phonons, acoustic phonons. It is found that nonequilibrium between LO phonons and acoustic phonons should be considered for ultrafast pulse laser heating problem, two-peak structures become apparently present for the subpicosecond pulses because of the Auger heating. A substantial increase in carrier temperature is observed for lasers with a few picosecond pulse duration, whereas the temperature rise of acoustic and phonon temperatures is relatively small with decreasing laser pulse widths. A slight lagging behavior is observed due to the differences in relaxation times and heat capacities between two different phonons. Moreover, the laser fluence has a significant effect on the decaying rate of the Auger recombination.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제10권1호
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pp.1-9
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2002
Effects of temperature coefficients fur dielectric constants on transient reflectances and thermal responses have been investigated for a metal(gold) thin-film during ultrashort pulse laser heating. Heating processes are simulated using the conventional conduction model(parabolic one-step, POS), the parabolic tow-step model(PTS), the hyperbolic two-step model(HTS). Results fro the HTS model are very similar to those from the PTS model, since the laser heating time in this study is considerably greater than the electron relaxation time. PTS and HTS models, however, result in completely different temperature profiles from those obtained by the POS model due to slow electron-lattice interactions compared to laser pulse duration. Transient reflectances are directly estimated from the linear relationship between electron temperature and complex dielectric constants, while conventional approaches assume that the change in reflectances is proportional to that in temperatuer. Reflectances at the front surface vary considerably for various dielectric constants, while those at the rear surface remain unchanged relatively.
Soft ferromagnetic materials are utilized for various electromagnetic devices such as magnetic recording heads and magnetic shielding. In situ observation of magnetic microstructures and domain wall motions are prerequisite for understanding and improving their magnetic properties. In this work, by the Fresnel (out-of-focus) method of Lorentz microscopy, we observe the domain wall motions of polycrystalline Ni/Ti thin film layers triggered by single-shot laser pulse. Random motions of domain walls were visualized at every single pulse.
The properties of plasmas produced by high power glass laser were investigated with various methods of diagnostics. Electron temperature was estimated by measurement of soft X-ray, and ion temperature was estimated by measurement of the time-of-flight of ion. The measurement of incident and reflected laser light, and Schlieren and shadowgragh methods were also used. No influence of laser pulse duration on the temperature was observed in the case of durations 2, 4 and 10 nsecs. The effective heating of plasma occurred in about 2 nsec of beginning of incident laser pulse. The experimental results for fast rising laser pulse were discussed and the influence of resetime of laser pulse on the heating of plasma was described. Neutrons produced by irradiating laser beam to solid deuterium target were detected.
The main aim of the present article is numerically to investigate the micro-scale heat transfer phenomena in a silicon microstructure irradiated by picosecond-to-femtosecond ultra-short laser pulses. Carrier-lattice non-equilibrium phenomena are simulated with a self-consistent numerical model based on Boltzmann transport theory to obtain the spatial and temporal evolutions of the lattice temperature, the carrier number density and its temperature. Especially, an equilibration time, after which carrier and lattice are in equilibrium, is newly introduced to quantify the time duration of non-equilibrium state. Significant increase in carrier temperature is observed for a few picosecond pulse laser, while the lattice temperature rise is relatively small with decreasing laser pulse width. It is also found that the laser fluence significantly affects the N 3 decaying rate of Auger recombination, the carrier temperature exhibits two peaks as a function of time due to Auger heating as well as direct laser heating of the carriers, and finally both laser fluence and pulse width play an important role in controlling the duration time of non-equilibrium between carrier and lattice.
The bubble dynamics induced by direct laser heating is experimentally analyzed as a first step to assess the technical feasibility of laser-based ink-jet technology. To understand the interaction between laser light and ink, the absorption spectrum is measured for various ink colors and concentrations. The hydrodynamics of laser-generated bubbles is examined by the laser-flash photography. When an Ar ion laser pulse (wavelength 488 nm) with an output power up to 600 mW is incident on the ink solution through a transparent window, a hemispherical bubble with a diameter up to ${\sim}100{\mu}m$ can be formed with a lifetime in a few tens of microsecond depending on the laser power and the focal-spot size. Parametric study has been performed to reveal the effect of laser pulse width, output power, ink concentration, and color on the bubble dynamics. The results show that the bubble generated by a laser pulse is largely similar to that produced by a thin-film heater. Consequently, the present work demonstrates the feasibility of developing a laser-actuated droplet generation mechanism for applications in ink-jet print heads. Furthermore, the results of this work indicate that the droplet generation frequency is likely to be further increased by optimizing the process parameters.
In this work, a novel three-dimensional model in the generalized thermoelasticity for a homogeneous an isotropic medium was investigated with diffusion, under the effect of thermal loading due to laser pulse in the context of Green-Lindsay theory was investigated. The normal mode analysis technique is used to solve the resulting non-dimensional equations of the problem. Numerical results for the displacement, the thermal stress, the strain, the temperature, the mass concentration, and the chemical potential distributions are represented graphically to display the effect of the thermal loading due to laser pulse and the relaxation time on the resulting quantities. Comparisons are made within the theory in the presence and absence of laser pulse.
This work studies the effects of transient reflectance on the thermal responses of a metal(gold) thin-film during ultrashort laser heating. The heating process is calculated using the conventional conduction model (parabolic one-step: POS), parabolic two-step model (PTS) with and without variable properties, hyperbolic two-step model (HTS). Results from the HTS model are very similar to those from the PTS model, since the laser heating time in this study is greater than the electron relaxation time. PTS model with variable properties, however, results in totally different temperature profiles compared to those from POS models or calculation with constant properties. Transient reflectances are estimated from electron temperature distributions and based on the linear relationship between the electron temperature and complex dielectric constants. Reflectance of the front surface can be changed with respect to dielectric constants, while those of the rear surface remain unchanged.
Thermal shock behavior of TiN-coated SUS 304 substrate was investigated using a laser ablation method. By short surface ablation with a pulse Nd-YAG laser, considerable surface crack and spalling were observed, whereas there were few oxidation phenomena, such as grain growth of TiN crystallites, nucleation and growth of $TiO_2$ crystallites, which were observed from the coatings quenched from $700^{\circ}C$ in a chamber. The oxygen concentration of the ablated coating surface with the pulse laser also had a lower value than that of the quenched coating surface by Auger electron spectroscopy and electron probe micro analysis. These results were attributed to the fact that the properties of the pulse laser method have a very short heating time and so the diffusion time for oxidation was insufficient. Consequently, it was verified that the laser thermal shock test provides a way to evaluate the influence of the thermal shock load reduced oxidation effect.
Lee Hae Jun;Kim Jin Cheol;Kim Gwang Hun;Kim Jong Uk;Kim Chang Beom;Seok Hui Yong
한국광학회:학술대회논문집
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한국광학회 2003년도 제14회 정기총회 및 03년 동계학술발표회
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pp.42-43
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2003
The nonlinear three-wave interaction is an interesting topic having various applications in nonlinear optics, hydrodynamics, acoustic waves, and plasma physics. The resonant interaction between two laser pulses and a plasma wave plays important roles in plasma heating, laser reflection in the inertial confinement fusion (ICF), plasma wakefield generation, and ultra-intense laser pulse amplification and pulse compression using stimulated Raman backscattering (RBS). (omitted)
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