Методи за дизајнирање на Беселови греди

За истовремено топење на материјалите од двете страни на интерфејсот и воспоставување на високоцврста микрорегионална врска, фокусната точка на ласерот мора прецизно да се фокусира на примерокот, што наметнува строги барања за точноста на обработката на системот за заварување. Дополнително, поради големиот аксијален градиент на интензитетот на Гаусовиот зрак по фокусирањето, температурата на фокусното поле е нерамномерна, што го прави склоно кон формирање на микро- и нано-празнини дефекти во регионот погоден од ласерот, што пак влијае на квалитетот на заварувањето на примерокот.

Технологијата за обликување на просторната светлина може да се користи за генерирање на Беселов зраци од нулти ред за оптимизирање на распределбата на интензитетот на фокусното поле на ласерот. Овој пристап го намалува градиентот на аксијалниот интензитет и ја продолжува фокусната должина, со што се зголемува односот длабочина-ширина на регионот на термички ефект формиран од ласерот. Како резултат на тоа, се намалуваат барањата за точност на фокусирање на системот за ласерско заварување, подобрувајќи го и квалитетот и ефикасноста на заварувањето.

1. Генерирање и параметрирање на недифрактивни Беселов греди

Во 1987 година, Дурнин прв го предложил Беселовиот зрак од нулти ред, кој покажува уникатни недифракциски својства: неговата попречна распределба на интензитетот на светлосното поле останува непроменета за време на ширењето, а големината на централната точка е секогаш блиску до границата на дифракција. Дополнително, Беселовите зраци покажуваат и својство на самолекување за време на ширењето. Кога централната точка е попречена, околната светлина ќе се конвергира кон центарот за да ја „поправи“ централната точка. Математичкиот израз за попречната распределба на светлосното поле на Беселов зрак од нулти ред е:

Во изразот:

• J0 ја претставува Беселовата функција од нулти ред.
• r и φ се радијалните и аголните координатни елементи, соодветно.
• z е растојанието на ширење.
• Kr и Kz се попречни и надолжни бранови векторски елементи, соодветно.

Централната главна точка на Беселов зрак од нулти ред има силна способност за ограничување, овозможувајќи нивоа на зрачење од редот на TW/cm² или повисоки, што може ефикасно да предизвика нелинеарна апсорпција во материјалите. Поважно е што карактеристиката на недифракционо ширење на Беселов зрак од нулти ред обезбедува поголема длабочина на фокус и помал градиент на аксијален интензитет, со што се создава речиси униформно температурно поле и се потиснува формирањето на дефекти при заварување.

Следната слика покажува споредба на фокусната должина на Беселовите и Гаусовите зраци под иста способност за попречно ограничување. Беселовите зраци поседуваат значителна длабочина на фокус, додека одржуваат попречен дијаметар на фокусната точка на ниво на микрон.

Постојат неколку методи за генерирање на Беселов греди од нулти ред, а следните три главни методи се вообичаени:

Метод на прстенест отвор: Методот на прстенест отвор, како што сугерира името, вклучува користење на прстенест процеп за производство на Беселов зраци. Ова беше и првиот успешен метод за генерирање на Беселов зраци. Дијаграмот подолу го илустрира методот на прстенест отвор за генерирање на Беселов зраци. Рамнински бран паѓа нормално на прстенестиот процеп од лево и се јавува дифракција.

Потоа, позитивната леќа извршува Фуриеова трансформација, што резултира со формирање на Беселов зрак зад леќата. Растојанието на недифракционо ширење Zmax е поврзано со дијаметарот d на прстенестиот процеп и нумеричкиот отвор на леќата.

Иако овој метод може да генерира Беселов зраци од нулти ред, ефикасноста на конверзија на енергија е исклучително ниска, што го отежнува неговото применување во полињата за ласерска обработка.

Метод со просторен модулатор на светлина: Процесот на генерирање на Беселов зрак од нулти ред е во суштина процес на менување на фазната распределба на зракот. Затоа, Беселов зрак од нулти ред може да се генерира и со користење на просторен светлосен модулатор. Просторен светлосен модулатор е вид на оптоелектронски модулациски уред кој го контролира интензитетот на светлосното поле и фазната распределба преку електрични сигнали. Беселов зрак од нулти ред може да се генерира со примена на конусната фаза на леќата, како што е прикажано на сликата подолу, на работниот панел на просторниот светлосен модулатор.

Метод со аксикон: Аксиконот е еден од најчесто користените пасивни дифрактивни елементи базирани на стакло за генерирање на Беселов сноп. Кога Гаусов зрак нормално паѓа на аксикон и поминува низ него, неговата фазна распределба се модулира, трансформирајќи го во Беселов зрак од нулти ред без никаква загуба на енергија, како што е прикажано на сликата подолу.

Поради ниската цена, леснотијата на користење и високиот праг на оштетување од ласер на стаклените аксикони, како и нивната исклучително висока ефикасност на искористување на енергијата, аксиконите се примарен избор за генерирање на ултракратки импулсни Беселови зраци во областа на ласерската обработка. Сликата подолу покажува шематски приказ на стеснувањето и преносот на зракот на Беселовиот зрак од нулти ред. Со прилагодување на зголемувањето и ориентацијата на 4f системот за снимање, лесно може да се контролира растојанието на недифрактивно ширење, аголот на полуконусот и аголот на навалување во насоката на ширење на Беселовиот зрак.

Кога Беселов зрак од нулти ред со полуконусен агол од Ɵ1 и растојание на пропагација без дифракција од Zmax поминува низ систем од 4f составен од леќа (L1) и објективна леќа (L2), геометриските димензии ќе бидат дополнително компресирани. Латералното зголемување е приближно M=f1/f2=5, а надолжното зголемување е приближно M2=25. Така, конечното снимање на Беселов зрак од нулти ред во примерокот може да се претстави со геометриските параметри:

Геометриски параметри на Беселовиот зрак прикажан во примерок од кварцно стакло под различни агли на конус и зголемувања на компресија на зракот.

Распределба на интензитетот на фокусното поле на Беселов зрак

• r и z: Радијални и аксијални координатни компоненти, соодветно.
• λ: Централна бранова должина на ласерот.
• w: 1/e² радиус на упадниот Гаусов зрак.
• P0: Врвна моќност на ултракраткиот пулсен ласер.
• β1: Полуконусен агол на Беселовата греда по компресија на гредата.
• k: Вектор на бранови.
• J0: Беселова функција од нулти ред.

Распределба на интензитетот на Беселовиот зрак од нулти ред во кварцно стакло: Лево се прикажани распределбата на густината на оптичката моќност по должината на правецот на ширење и напречниот пресек, а десно се прикажани распределбата на густината на оптичката моќност по должината на оската и напречниот пресек.

2. Карактеристики на фемтосекундниот импулсен Беселов зрак во стопено силициумско стакло

Слика (а) ги прикажува микрографиите од интеракцијата помеѓу фемтосекундните пулсни Беселови зраци и стопеното силициумско стакло при различни пулсни енергии. Ширината на ласерскиот импулс е фиксирана на 220 fs, а полуконусниот агол на Беселовиот зрак во примерокот е 12,4°. Може да се забележи дека регионот погоден од ласерот покажува типична еднодимензионална линеарна структура. Кога енергијата на ласерскиот импулс е помала од 9,5 μJ, индексот на прекршување на материјалот во фокусната област се зголемува, појавувајќи се како црна област на микрографијата.

Кога енергијата на ласерскиот пулс надминува 9,5 μJ, индексот на прекршување на материјалот во фокусната област се намалува, појавувајќи се како бела област на микрографијата, а должината на белата област се зголемува со зголемување на енергијата на пулсот. Со полирање на примерокот, ги набљудувавме морфолошките карактеристики на белата област при енергија на пулсот од 15,4 μJ под скенирачки електронски микроскоп, како што е прикажано на Слика (б). Може да се заклучи дека во областа со намален индекс на прекршување се формира нанопора со дијаметар од приближно 200 nm.

Преку јонско зрачно јонизирачко бакарење и системи за набљудување со in-situ скенирачки електронски микроскоп, дополнително го потврдивме присуството на нанопорите (Слика в). Затоа, со цел да се минимизира генерирањето на дефекти предизвикани од ласер, енергијата на единечниот импулс не треба да надминува 9,5 μJ за време на ласерското заварување.

3. Постигнување висококвалитетно микрозаварување помеѓу стопени силициумски стакла со употреба на Bessel ултракраток пулсен ласер.

Слика (а) прикажува микрографска снимка од горе на површината за заварување на примерокот. Може да се види дека линијата на ласерско заварување е униформна и мазна. Иако сè уште има неколку случајно распределени дефекти на микропорите во заварената област, генерално, таа е значително подобра од Гаусовата ласерска линија за заварување. Мерењата покажуваат дека ширината на линијата на заварување е приближно 18 μm, а растојанието помеѓу линиите на заварување е 40 μm. Слика (б) прикажува микрографска снимка од страна на линијата на заварување на примерокот.

Може да се види дека јазот помеѓу примероците целосно исчезнува по ласерската обработка, а материјалот во близина на интерфејсот се споил во еден ентитет откако поминал низ процесот на термичко топење-ладење. Мерењата покажуваат дека длабочината на ласерски индуцираниот регион на термичко топење достигнува до 227 μm. Ова укажува дека за време на ласерското заварување со овие параметри, аксијалната длабочина на фокусната позиција може да достигне до 227 μm, што е четири пати повеќе од Гаусовото ласерско заварување под истите услови.

4. Каде да се купат Беселови објективи?

Wavelength Opto-Electronic нуди висококвалитетни Беселови леќи кои се користат во апликациите за ласерска обработка. Можноста за подесување на длабочината на фокусот на излезниот зрак со прилагодување на големината на дијаметарот на влезниот зрак е најатрактивната карактеристика на овој оптички систем на Беселовиот зрак.