The damage threshold measurement of gold films is carried out with ultrashort-pulse laser. An enhanced two temperature model is developed to encounter the limitation of linear modeling during ultrashort pulse laser ablation. In which the electron heat capacity is calculated using a quantum mechanical approach based on a Fermi-Dirac distribution, temperature-dependent electron thermal conductivity valid beyond the Fermi temperature is adopted, and reflectivity and absorption coefficient are estimated by applying a temperature-dependent electron relaxation time. The predicted damage threshold using the proposed enhanced modelclosely agreed with experimental results, demonstrating the importance of considering transient thermal and optical properties in the modeling of ultrashort pulse laser ablation.
Proceedings of the Optical Society of Korea Conference
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2002.07a
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pp.244-245
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2002
1 picosecond 보다 짧은 펄스길이를 갖는 초단파길이 레이저 펄스 (Ultrashort laser pulse, USLP)를 이용한 물질의 절제 (ablation)는 여타 nanosecond 영역의 레이저 절제와 많은 차이를 보인다(1). USLP는 순간 파워가 매우 높기 때문에 직접적으로 물질의 원자를 분리시켜 자유전자를 형성한다 이들 자유전자는 일반 선형흡수체 (linear absorbing chromophore)보다 흡수계수가 몇 십 배로 높아 대부분의 펄스 에너지가 표면 100-200 m 이내의 극히 작은 지역에 밀집되게 된다. (중략)
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2006.05a
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pp.657-658
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2006
Although there are many numerical models to simulate fs laser ablation of metals, no model can analyze the ablation phenomena over a wide range of fluence. In this work, a numerical code for simulating the fs laser ablation phenomena of metals has been developed. The two temperature model is employed to predict the ablation rate and the crater shape of metals using phase explosion mechanism in the relatively high fluence regime. Also, the ultrashort thermoelastic model is used for the low fluence regime to account for spallation of the sample by high strain rate. It has been demonstrated that the thermoelastic stress generated within the sample can exceed the yield stress of the material even near the threshold fluence. Numerical computation results are compared with the experiment for Cu and Ni and show good agreement. Discussions are made on the hydrodynamic model considering phase change and hydrodynamic flow.
It has been recognized that laser dicing of wafers results in low mechanical strength compared to the conventional sawing techniques. Thermal shock generated by rapid thermal loading is responsible for this problem. This work presents a two-dimensional ultra-short thermo elastic model for numerical simulation of femtosecond laser ablation of metals in the high-fluence regime where the phase explosion is dominant. Laser-induced thermoelastic stress is analyzed for Ni. The results show that the laser-induced thermal shock is large enough to induce mechanical damages.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.12
no.6
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pp.23-29
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2013
In this paper, pure $I_{ph}$ and hybrid carbon nanotube reinforced $I_{ph}$ were sintered using the SPS(spark plasma sintering) method for high densification. A nanosecond laser (${\lambda}=1063nm$, ${\tau}P=10ns$) and a femtosecond laser (${\lambda}=1027nm$, ${\tau}P=380fs$) were installed on an optical system for the micromachining test. The ablation characteristics of the pure $I_{ph}$ and CNT/$I_{ph}$ composites, such as thermal effect and ablation depth, were investigated using FE-SEM and a confocal microscope device. Laser machining results for the two mating materials showed improved performances: CNT/$I_{ph}$ composites showed good surface morphology of hole drilling without a melting zone due to the composites' high thermal properties; also, the ablated depth of CNT/$I_{ph}$ was higher than that of pure $I_{ph}$.
This paper presents micromachining results on planar-lightwave-circuit (PLC) chips with Si substrate and the quartz substrate by using Ti:Sapphire femtosecond-pulsed laser. The ablation process with femtosecond laser pulses generates nothing of contamination, molten zone, microcracks, shock wave, delamination and recast layer. We also showed that the micromachine for PLC using femtosecond pulsed lasers is superior to that using nanosecond pulsed lasers. The insertion loss and the optical return loss of the 1 ${\times}$ 8 optical power splitters packaged with micromachined input- and output-port U-grooves were less than 11.0 ㏈ and more than 55 ㏈, respectively. The wavelength dependent loss (WDL) was distributed within $\pm$0.6 ㏈ and the polarization dependent loss (PDL) was less than 0.2 ㏈.
Taehoon Park;Hyo Soo Lee;Hai Joong Lee;Taek Yong Hwang
Design & Manufacturing
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v.17
no.2
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pp.55-61
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2023
With femtosecond (fs) laser pulse irradiation on metals, various types of nano- and micro-scale structures can be naturally induced at the surface through laser-matter interaction. Two notable structures are laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) and cone/spike structures, which are known to significantly modify the optical and physical properties of metal surfaces. In this work, we irradiate fs laser pulses onto various types of metals, cold-rolled steel, pickled & oiled steel, Fe-18Cr-8Ni alloy, Zn-Mg-Al alloy coated steel, and pure Cu which can be useful for precise molding and imprinting processes, and adjust the morphological profiles of LIPSSs and cone/spike structures for clear structural coloration and a larger range of surface wettability control, respectively, by changing the fluence of laser and the speed of raster scan. The periods of LIPSSs on metals used in our experiments are nearly independent of laser fluence. Accordingly, the structural coloration of the surface with LIPSSs can be optimized with the morphological profile of LIPSSs, controlled only by the speed of the raster scan once the laser fluence is determined for each metal sample. However, different from LIPSSs, we demonstrate that the morphological profiles of the cone/spike structures, including their size, shape, and density, can be manipulated with both the laser fluence and the raster scan speed to increase a change in the contact angle. By injection molding and imprinting processes, it is expected that fs laser-induced surface structures on metals can be replicated to the plastic surfaces and potentially beneficial to control the optical and wetting properties of the surface of injection molded and imprinted products.
Kim, Joo-Seok;Sim, Hyung-Sub;Lee, Seong-Hyuk;Shin, Young-Eui
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.14
no.3
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pp.29-36
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2007
The main objectives of this study are to investigate the micro-scale energy transfer mechanism for silicon wafer and to find an efficient way for fabrication of silicon wafer through-hole by using the femtosecond pulse laser ablation. In addition, the electron-phonon interactions during laser irradiation are discussed and the carrier number density and temperatures are estimated. In particular, the present study observes the shapes of silicon wafer through-hole with $100\;{\mu}m$ diameter and it also measures the heat-affected area and the ablation depths fur different laser fluences by using the optic microscope and the three-dimensional profile measurement technique. First, from numerical investigation, it is found that the nonequilibrium state exists between electrons and phonons during laser irradiation. From experimental results, it should be noted that the heat-affected area increases with laser fluence, and the optimal conditions for through-hole formation with minimum heat affected zone are finally obtained.
In this work, the application of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for the composition analysis of thin $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) solar cell films ($1-2{\mu}m$ thickness) is reported. For the ablation of CIGS films, femtosecond (fs) laser (wavelength = 343nm, pulse width = 500fs) and nanosecond (ns) laser (wavelength = 266nm, pulse width = 5ns) were used under atmospheric environment. The emission spectra were detected with an intensified charge coupled device (ICCD) spectrometer and multichannel CCD spectrometer for fs-LIBS and ns-LIBS, respectively. The calibration curves for fs-LIBS and ns-LIBS intensity ratios of Ga/Cu, In/Cu, and Ga/In were generated with respect to the concentration ratios measured by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES).
Indium tin oxide (ITO) provides high electrical conductivity and transparency at visible and near-IR wavelengths. ITO is widely used as a transparent electrode for the fabrication of LCDs, OLEDs, and many kinds of optical applications. It is widely employed for electrodes in various electric and display sectors because of its transparency in the visible range and high conductivity. Therefore, one issue is removing a specific area of a layer of material such as ITO or metallic film on a substrate, without affecting the properties of the substrate. ITO-on-glass removal using a laser is friendlier to the environment than traditional methods. In this study, ablation of ITO film on glass using a femtosecond-laser micromachining system (wavelength 1026 nm, pulse duration 150 fs) and a nanosecond-laser micromachining system (wavelength 1027 nm, pulse duration 5 ns) are described, compared, and analyzed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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