｜超快雷射之微觀熱傳行為

摘要：近年來金屬薄膜是一種具有廣泛應用前景的材料，特別是多層金屬薄膜在目前的工程應用中更是廣受注目。而高能量超快雷射應用範圍，除了多層金屬薄膜以外，還包括雷射微加工與製造及相關物理、化學、生物與光學科技；且雷射本身具有不和物體直接接觸的特性，因此可以對奈米科技做很準確的熱處理[1]。而高能量超快雷射可成功的應用於實際加工技術，主要基於以下三個因素[1]：雷射的脈衝寬度（Pulse Width）、強度和實驗技術的發展具備良好的特性；可靠的微觀熱傳導模式；可預防薄膜熱損壞。所以本文將針對薄膜受到超快雷射加熱後的物理機制與目前文獻上許多學者針對不同觀點所提出的數學模式做說明。

Abstract: Recently, the metal thin films are materials with widely application.  Especially, the multi-layered metal thin film is widely used in engineering applications.  In addition to the multi-layered thin film, laser micromachining, and processing, the real application of the high power ultra-short pulse lasers have well spanned in all disciplines of physics, chemistry, biology, medicine, and optical technology.  Since the femtosecond laser with non-contact nature, therefore, it has made them an ideal candidate for precise thermal processing of nano-materials [1].  Successful applications in high-energy ultrashort-pulsed lasers relies on three factors [1]：(1) well characterized pulse width, intensity and experimental techniques; (2) reliable microscale heat transfer models; and (3) prevention of thermal damage.  The physical mechanism of a thin film subjected to an ultrasfast laser is discussed.  Comparisons of different models for the determination of the microscale heat transfer are also discussed in this article.

關鍵詞：超快雷射、微觀熱傳、金屬薄膜

Keywords：Ultrafast Laser, Microscale Heat Transfer, Metal Thin Film

前言
已故田長霖院士曾經談到熱傳學未來的研究趨勢。他以時間和空間的例子作解釋，時間上可以探討熱傳導時間很長，或很短的熱傳現象。空間上可以探討熱傳導尺度非常大（巨觀熱傳），或非常小的熱傳現象（微觀熱傳）。田院士發表的微觀熱傳相關文獻非常多且影響深遠，在此僅列出幾篇具代表性的論文：Qiu and Tien [2-6]，及其編撰的一本書Tien et al.[7]。

如今隨著微機電和奈米科技的進步，微觀尺度（包括空間與時間）的熱傳導研究，愈顯其重要性。根據馮元楨院士[8]在連體力學這本書中的說法，物體尺寸大於物體本身的原子（例如：固體）或分子（例如：液體）或氣體分子之平均自由路徑兩個階次（約一百倍）以上時，屬於連體力學的範圍，否則即屬於微尺度的範圍。由於微觀的熱傳現象，與巨觀的熱傳機制其間的差異極大[9]，傳統的能量方程式，已經不能適用。舉例來說，當金屬薄膜受到超快雷射加熱時，在其鬆弛過程（Relaxation Process）中，必須將金屬視為雙溫度（即電子與晶格溫度）系統[10]。