Metode projektiranja Besselovih greda

Kako bi se istovremeno rastopili materijali s obje strane granične površine i uspostavila visokočvrsta mikro-regijska veza, žarišna točka lasera mora biti precizno fokusirana na uzorak, što nameće stroge zahtjeve na točnost obrade sustava zavarivanja. Osim toga, zbog velikog aksijalnog gradijenta intenziteta Gaussovog snopa nakon fokusiranja, temperatura žarišnog polja je neujednačena, što ga čini sklonim stvaranju mikro- i nano-praznina u području zahvaćenom laserom, što zauzvrat utječe na kvalitetu zavarivanja uzorka.

Tehnologija prostornog oblikovanja svjetlosti može se koristiti za generiranje Besselovih snopova nultog reda radi optimizacije raspodjele intenziteta laserskog žarišnog polja. Ovaj pristup smanjuje aksijalni gradijent intenziteta i produžuje žarišnu duljinu, čime se povećava omjer dubine i širine područja toplinskog efekta koje formira laser. Kao rezultat toga, smanjuju se zahtjevi za točnošću fokusiranja laserskog sustava za zavarivanje, poboljšavajući i kvalitetu i učinkovitost zavarivanja.

1. Generiranje i dizajn parametara nedifrakcijskih Besselovih snopova

Godine 1987. Durnin je prvi predložio Besselov snop nultog reda, koji pokazuje jedinstvena svojstva nedifrakcije: njegova poprečna raspodjela intenziteta svjetlosnog polja ostaje nepromijenjena tijekom širenja, a veličina središnje točke uvijek je blizu granice difrakcije. Osim toga, Besselovi snopovi također pokazuju svojstvo samoobnavljanja tijekom širenja. Kada je središnja točka zaklonjena, okolna svjetlost će konvergirati prema središtu kako bi "popravila" središnju točku. Matematički izraz za poprečnu raspodjelu svjetlosnog polja Besselovog snopa nultog reda je:

U izrazu:

• J0 predstavlja Besselovu funkciju nultog reda.
• r i φ su radijalni i kutni koordinatni elementi.
• z je udaljenost širenja.
• Kr i Kz su transverzalni i longitudinalni elementi valnog vektora.

Središnja glavna točka Besselovog snopa nultog reda ima snažnu sposobnost ograničenja, što omogućuje razine ozračivanja reda veličine TW/cm² ili više, što može učinkovito pobuditi nelinearnu apsorpciju u materijalima. Što je još važnije, karakteristika širenja bez difrakcije Besselovih snopova nultog reda pruža veću dubinu fokusa i manji aksijalni gradijent intenziteta, stvarajući tako gotovo ujednačeno temperaturno polje i potiskujući stvaranje nedostataka zavarivanja.

Sljedeća slika prikazuje usporedbu žarišne duljine Besselovih snopova i Gaussovih snopova pod istim mogućnostima poprečnog ograničenja. Besselovi snopovi posjeduju znatnu dubinu fokusa uz održavanje poprečnog promjera žarišne točke na razini mikrona.

Postoji nekoliko metoda generiranja Besselovih snopova nultog reda, a uobičajene su sljedeće tri glavne metode:

Metoda prstenastog otvora: Metoda prstenastog otvora, kao što i samo ime govori, uključuje korištenje prstenastog proreza za stvaranje Besselovih snopova. Ovo je ujedno bila i prva uspješna metoda za generiranje Besselovih snopova. Dijagram u nastavku ilustrira metodu prstenastog otvora za generiranje Besselovih snopova. Ravni val pada okomito na prstenasti prorez s lijeve strane i dolazi do difrakcije.

Nakon toga, pozitivna leća provodi Fourierovu transformaciju, što rezultira stvaranjem Besselovog snopa iza leće. Nedifrakcijska propagacijska udaljenost Zmax povezana je s promjerom d prstenastog proreza i numeričkom aperturom leće.

Iako ova metoda može generirati Besselove snopove nultog reda, učinkovitost pretvorbe energije je izuzetno niska, što otežava njezinu primjenu u područjima laserske obrade.

Metoda prostornog modulatora svjetlosti: Proces generiranja Besselovog snopa nultog reda u biti je proces promjene fazne raspodjele snopa. Stoga se Besselov snop nultog reda može generirati i pomoću prostornog modulatora svjetlosti. Prostorni modulator svjetlosti je vrsta optoelektroničkog modulacijskog uređaja koji kontrolira intenzitet i faznu raspodjelu svjetlosnog polja putem električnih signala. Besselov snop nultog reda može se generirati primjenom faze konusne leće, kao što je prikazano na donjoj slici, na radnu ploču prostornog modulatora svjetlosti.

Metoda s aksikonom: Aksikon je jedan od najčešće korištenih pasivnih difrakcijskih elemenata na bazi stakla za generiranje Besselovih snopova. Kada Gaussov snop normalno upadne na aksikon i prođe kroz njega, njegova fazna raspodjela se modulira, pretvarajući ga u Besselov snop nultog reda bez ikakvog gubitka energije, kao što je prikazano na slici ispod.

Zbog niske cijene, jednostavnosti korištenja i visokog praga oštećenja laserom staklenih aksikona, kao i njihove iznimno visoke učinkovitosti iskorištenja energije, aksikoni su primarni izbor za generiranje ultrakratkih impulsnih Besselovih snopova u području laserske obrade. Donja slika prikazuje shematski prikaz sužavanja snopa i prijenosa Besselovog snopa nultog reda. Podešavanjem povećanja i orijentacije 4f sustava za snimanje, nedifrakcijska udaljenost širenja, kut polukonusa i kut nagiba u smjeru širenja Besselovog snopa mogu se lako kontrolirati.

Kada Besselova zraka nultog reda s kutom polukonusa od Ɵ1 i difrakcijskom udaljenošću propagacije Zmax prolazi kroz 4f sustav sastavljen od leće (L1) i objektiva (L2), geometrijske dimenzije će se dodatno komprimirati. Lateralno povećanje je približno M=f1/f2=5, a uzdužno povećanje je približno M2=25. Dakle, konačna slika Besselove zrake nultog reda unutar uzorka može se predstaviti geometrijskim parametrima:

Geometrijski parametri Besselovog snopa snimljenog unutar uzorka kvarcnog stakla pod različitim kutovima konusa i uvećanjima kompresije snopa.

Raspodjela intenziteta fokusnog polja Besselovog snopa

• r i z: Radijalne i aksijalne koordinatne komponente.
• λ: Središnja valna duljina lasera.
• w: polumjer upadnog Gaussovog snopa od 1/e².
• P0: Vršna snaga ultrakratkog pulsnog lasera.
• β1: Kut polukonusa Besselove grede nakon kompresije grede.
• k: Valni vektor.
• J0: Besselova funkcija nultog reda.

Raspodjela intenziteta Besselovog snopa nultog reda unutar kvarcnog stakla: Lijevo su raspodjela gustoće optičke snage duž smjera širenja i presjek, a desno su raspodjela gustoće optičke snage duž osi i presjek.

2. Karakteristike femtosekundnog pulsirajućeg Besselovog snopa u taljenom silicijevom staklu

Slika (a) prikazuje mikrografije interakcije između femtosekundnih pulsirajućih Besselovih snopova i taljenog silicijevog stakla pri različitim energijama pulsa. Širina laserskog pulsa je fiksirana na 220 fs, a kut polukonusa Besselovog snopa unutar uzorka je 12,4°. Može se primijetiti da područje pod utjecajem lasera pokazuje tipičnu jednodimenzionalnu linearnu strukturu. Kada je energija laserskog pulsa manja od 9,5 μJ, indeks loma materijala u žarišnom području se povećava, pojavljujući se kao crno područje na mikrografiji.

Kada energija laserskog pulsa prijeđe 9,5 μJ, indeks loma materijala u žarišnom području se smanjuje, pojavljujući se kao bijelo područje na mikrografiji, a duljina bijelog područja se povećava s povećanjem energije pulsa. Poliranjem uzorka, pod skenirajućim elektronskim mikroskopom uočili smo morfološke karakteristike bijelog područja pri energiji pulsa od 15,4 μJ, kao što je prikazano na slici (b). Može se zaključiti da se u području sa smanjenim indeksom loma formira nanopora promjera približno 200 nm.

Pomoću sustava za nagrizanje ionskim snopom i promatranja in situ skenirajućim elektronskim mikroskopom dodatno smo potvrdili prisutnost nanopora (slika c). Stoga, kako bi se smanjilo stvaranje laserski induciranih defekata, energija pojedinačnog impulsa ne bi smjela prelaziti 9,5 μJ tijekom laserskog zavarivanja.

3. Postizanje visokokvalitetnog mikro-zavarivanja između stakala od taljenog silicija pomoću Besselovog ultrakratkog pulsnog lasera.

Slika (a) prikazuje mikrografiju površine zavara uzorka s gornjeg pogleda. Može se vidjeti da je laserska linija zavara ujednačena i glatka. Iako još uvijek postoji nekoliko nasumično raspoređenih mikropora u zavarenom području, općenito je znatno bolja od Gaussove laserske linije zavara. Mjerenja pokazuju da je širina linije zavara približno 18 μm, a razmak između linija zavara 40 μm. Slika (b) prikazuje bočnu mikrografiju linije zavara uzorka.

Može se vidjeti da razmak između uzoraka potpuno nestaje nakon laserske obrade, a materijal u blizini granice spajanja se stopio u jednu cjelinu nakon što je prošao proces termičkog taljenja i hlađenja. Mjerenja pokazuju da dubina laserski induciranog područja termičkog taljenja doseže do 227 μm. To ukazuje na to da tijekom laserskog zavarivanja s ovim parametrima, aksijalna dubina žarišnog položaja može doseći do 227 μm, što je četiri puta više od Gaussovog laserskog zavarivanja pod istim uvjetima.

4. Gdje kupiti Bessel leće?

Wavelength Opto-Electronic nudi visokokvalitetne Bessel leće koje se koriste u primjenama laserske obrade. Mogućnost podešavanja dubine fokusa izlaznog snopa podešavanjem veličine promjera ulaznog snopa najatraktivnija je značajka ovog Besselovog optičkog sustava.