Short-pulse laser heating on metals

This work analyzes microscopic radiation-metal interactions in short-pulse laser heating processes and their effects on the material thermal response. The radiation-metal interactions are treated as a coupled two-step process : (1) the absorption of photon energy by electrons and (2) the subsequent heating of the metal lattice through electron-phonon collisions. Key parameters, pulse duration to relaxation, relaxation to diffusion, and heating intensity, are introduced to classify this two-step heating regime and the conventional one-step heating regime. In the two-step heating regime, the microscopic energy transfer among photons, electrons and phonons enlarges the size of the heat-affected region and lowers the peak metal lattice temperature rise significantly. The predicted transient reflectivity changes agree with subpicosecond laser heating experiments. On analyse les interactions microscopiques rayonnement-métal pendant le chauffage par laser à brève pulsation et leurs effets sur la réponse thermique du métal. Ces interactions sont traitées comme un mécanisme couplé à deux étapes: (1) l'absorption de l'énergie des photons par les électrons et (2) le chauffage du réseau du métal par les collisions électron-phonon. Les paramètres actifs, la durée de la pulsation et la relaxation, de la relaxation à la diffusion, l'intensité du chauffage, sont introduits pour traiter ce régime de chauffage à deux étapes et le régime conventionnel de chauffage à une seule étape. Dans le régime de chauffage à deux étapes, le transfert microscopique d'énergie parmi les photons, les électrons et les phonons augmente la dimension de la région affectée par le chauffage et diminue sensiblement le pic de température du métal. Les changements prédits de réflectivité variable s'accordent avec les expériences de chauffage laser sub-picroseconde. In der vorliegenden Arbeit wird die mikroskopische Wechselwirkung zwischen Strahlung und Metallen während einer Erwärmung mittels kurzer Laserpulse und deren Einfluβ auf das thermische Verhalten des Materials untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Metall wird als gekoppelter zweistufiger Prozeβ behandelt: (1) Absorption von Photonenergie durch Elektronen und (2) die nachfolgende Aufheizung des Metallgitters durch Kollisionen zwischen Elektronen und Phononen. Schlüsselparameter, wie das Verhältnis der Pulsdauer zur Relaxation, der Relaxation zur Diffusion und der Intensität der Erwärmung, werden zur Klassifizierung dieses zweistufigen Erwärmungsbereichs und des herkömmlichen einstufigen Erwärmungsbereichs eingeführt. Im zweistufigen Bereich vergröβert die mikroskopische Energieübertragung zwischen Photonen, Elektronen und Phononen die Gröβe des wärmebeaufschlagten Bereichs, während die Temperaturspitze im Metallgitter spürbar kleiner wird. Die berechneten transienten Veränderungen des Reflexionsvermögens stimmen gut mit Lasercxperimenten unterhalb des Picosekundenbereichs überein. AнaлизиruюTsя микrosкoпичesкиe взaимoдeйsTвия мeждu излuчeниeм и мeTaллoм в пroцessaч кoroTкoимпuльsнoгo лaзerнoгo нaгreвa и ич влияниe нa Teплoвыe чaraкTerиsTики мaTerиaлa. Иssлeдueмыe взaимoдeйsTвия rassмaTrивaюTsя кaк взaимosвязaнный пroцess, sosToящий из двuч эTaпoв: 1) пoглoщeниe энerгии фoToнoв элeкTroнaми и 2) пosлeдuющий нaгreв мeTaлличesкoй reшeTки пrи souдareнияч элeкTroнoв и фoнoнoв. Для клassификaции двuчsTuпeнчaToгo reжимa нaгreвa и reжимa oбычнoгo oднosTuпeнчaToгo нaгreвa ввoдяTsя Taкиe пaraмeTrы кaк oTнoшeниe длиTeльнosTи импuльsa к вreмeни reлaкsaции, вreмeни reлaкsaции к чaraкTerнoмu вreмeни диффuзии и инTeнsивнosTь нaгreвa. Пrи двuчsTuпeнчaToм reжимe нaгreвa микrosкoпичesкий пereнos энerгии мeждu фoToнaми, элeкTroнaми и фoнoнaми пrивoдиT к suщesTвeннoмu uвeличeнию raзмera нaгreвaeмoгo uчasTкa и sнижeнию мaкsимaльнoй TeмпeraTurы кrиsTaлличesкoй reшeTки мeTaллa. TeoreTичesкиe rasчeTы измeнeний нesTaциoнarнoгo кoэффнциeнTa oTraжeния soглasuюTsя s экsпerимeнTaльными дaнными для suбпикoseкuндныч лaзeroв.