Bessel bjelkedesignmetoder

For å smelte materialene på begge sider av grensesnittet samtidig og etablere en høystyrkebinding i mikroregionen, må laserens fokuspunkt fokuseres presist på prøven, noe som stiller strenge krav til sveisesystemets prosesseringsnøyaktighet. I tillegg, på grunn av den store aksiale intensitetsgradienten til den gaussiske strålen etter fokusering, er fokusfelttemperaturen ujevn, noe som gjør den utsatt for dannelse av mikro- og nano-hulromsdefekter i det laserpåvirkede området, noe som igjen påvirker sveisekvaliteten til prøven.

Romlig lysformingsteknologi kan brukes til å generere Bessel-stråler av nullte orden for å optimalisere intensitetsfordelingen til laserens fokusfelt. Denne tilnærmingen reduserer den aksiale intensitetsgradienten og forlenger brennvidden, og øker dermed dybde-til-bredde-forholdet til det termiske effektområdet som dannes av laseren. Som et resultat reduseres kravene til fokuseringsnøyaktighet i lasersveisesystemet, noe som forbedrer både sveisekvaliteten og effektiviteten.

1. Generering og parameterdesign av ikke-diffrakterende Bessel-bjelker

I 1987 foreslo Durnin først Bessel-strålen av nullte orden, som viser unike ikke-diffraksjonsegenskaper: dens transversale lysfeltintensitetsfordeling forblir uendret under forplantning, og størrelsen på det sentrale punktet er alltid nær diffraksjonsgrensen. I tillegg viser Bessel-stråler også en selvreparerende egenskap under forplantning. Når det sentrale punktet blokkeres, vil det omkringliggende lyset konvergere mot sentrum for å "reparere" det sentrale punktet. Det matematiske uttrykket for den transversale lysfeltfordelingen til en Bessel-stråle av nullte orden er:

I uttrykket:

• J0 representerer Bessel-funksjonen av nullte orden.
• r og φ er henholdsvis de radiale og vinkelmessige koordinatelementene.
• z er forplantningsavstanden.
• Kr og Kz er henholdsvis de transversale og longitudinale bølgevektorelementene.

Det sentrale hovedpunktet i en Bessel-stråle av nullte orden har en sterk inneslutningsevne, som tillater bestrålingsnivåer i størrelsesorden TW/cm² eller høyere, noe som effektivt kan eksitere ikke-lineær absorpsjon i materialer. Enda viktigere er det at den ikke-diffrakterende forplantningsegenskapen til Bessel-stråler av nullte orden gir en større fokusdybde og en mindre aksial intensitetsgradient, og dermed skaper et nesten jevnt temperaturfelt og undertrykker dannelsen av sveisefeil.

Figuren nedenfor viser en sammenligning av brennvidden til Bessel-stråler og Gauss-stråler under samme tverrgående inneslutningsevne. Bessel-stråler har en betydelig dybdeskarphet samtidig som de opprettholder en tverrgående brennpunktdiameter på mikronnivå.

Det finnes flere metoder for å generere Bessel-stråler av nullte orden, og følgende tre hovedmetoder er vanlige:

Ringformet aperturmetode: Som navnet antyder, innebærer ringformet aperturmetode bruk av en ringformet spalte for å produsere Bessel-stråler. Dette var også den første vellykkede metoden for å generere Bessel-stråler. Diagrammet nedenfor illustrerer ringformet aperturmetode for å generere Bessel-stråler. En planbølge innfaller vinkelrett på den ringformede spalten fra venstre, og diffraksjon oppstår.

Etterpå utfører en positiv linse en Fourier-transformasjon, noe som resulterer i dannelsen av en Bessel-stråle bak linsen. Den ikke-diffrakterende forplantningsavstanden Zmax er relatert til diameteren d til den ringformede spalten og linsens numeriske apertur.

Selv om denne metoden kan generere Bessel-stråler av nullte orden, er energiomformingseffektiviteten ekstremt lav, noe som gjør den vanskelig å anvende i laserbehandlingsfelt.

Metoden med romlig lysmodulator: Genereringsprosessen for en Bessel-stråle av nullte orden er i hovedsak en prosess for å endre fasefordelingen til strålen. Derfor kan en Bessel-stråle av nullte orden også genereres ved hjelp av en romlig lysmodulator. En romlig lysmodulator er en type optoelektronisk moduleringsenhet som kontrollerer lysfeltets intensitet og fasefordeling gjennom elektriske signaler. En Bessel-stråle av nullte orden kan genereres ved å påføre den koniske linsefasen, som vist i figuren nedenfor, på arbeidspanelet til den romlige lysmodulatoren.

Aksikonmetoden: Et aksikon er et av de mest brukte passive glassbaserte diffraktive elementene for å generere Bessel-stråler. Når en Gaussisk stråle normalt faller inn på og passerer gjennom et aksikon, moduleres fasefordelingen, slik at den transformeres til en Bessel-stråle av nullte orden uten energitap, som vist i figuren nedenfor.

På grunn av den lave kostnaden, brukervennligheten og den høye laserskadeterskelen til glassaksikoner, samt deres eksepsjonelt høye energiutnyttelseseffektivitet, er aksikoner det primære valget for å generere ultrakorte pulserte Bessel-stråler innen laserbehandling. Figuren nedenfor viser en skjematisk fremstilling av strålens innsnevring og transmisjon av en nullteordens Bessel-stråle. Ved å justere forstørrelsen og orienteringen til 4f-avbildningssystemet, kan den ikke-diffraktive forplantningsavstanden, halvkjeglevinkelen og hellingsvinkelen i forplantningsretningen til Bessel-strålen enkelt kontrolleres.

Når en Bessel-stråle av nullte orden med en halvkjeglevinkel på Ɵ1 og en diffraksjonsfri forplantningsavstand på Zmax passerer gjennom et 4f-system bestående av en linse (L1) og en objektivlinse (L2), vil de geometriske dimensjonene bli ytterligere komprimert. Den laterale forstørrelsen er omtrent M=f1/f2=5, og den longitudinale forstørrelsen er omtrent M2=25. Dermed kan den endelige avbildningen av Bessel-strålen av nullte orden inne i prøven representeres av de geometriske parametrene:

Geometriske parametere for Bessel-strålen avbildet inne i en kvartsglassprøve under forskjellige kjeglevinkler og strålekompresjonsforstørrelser.

Fokusfeltintensitetsfordeling av en Bessel-stråle

• r og z: Henholdsvis radiale og aksiale koordinatkomponenter.
• λ: Laserens sentrale bølgelengde.
• w: 1/e² radius av den innfallende Gaussiske strålen.
• P0: Toppeffekten til den ultrakorte pulslaseren.
• β1: Halvkjeglevinkelen til Bessel-strålen etter bjelkekompresjon.
• k: Bølgevektor.
• J0: Bessel-funksjon av nullte orden.

Intensitetsfordeling av Bessel-strålen av nullte orden inne i kvartsglass: Til venstre er den optiske effekttetthetsfordelingen langs forplantningsretningen og tverrsnittsvisningen, og til høyre er den optiske effekttetthetsfordelingen langs aksen og tverrsnittsvisningen

2. Kjennetegn ved femtosekundpuls-Besselstrålen i smeltet silikaglass

Figur (a) viser mikrografene av samspillet mellom femtosekundpulserte Bessel-stråler og smeltet silikaglass ved forskjellige pulsenergier. Laserpulsbredden er fastsatt til 220 fs, og halvkjeglevinkelen til Bessel-strålen inne i prøven er 12,4°. Det kan observeres at det laserpåvirkede området viser en typisk endimensjonal lineær struktur. Når laserpulsenergien er mindre enn 9,5 μJ, øker brytningsindeksen til materialet i fokusområdet, og fremstår som et svart område i mikrografen.

Når laserpulsenergien overstiger 9,5 μJ, reduseres brytningsindeksen til materialet i fokusområdet, og fremstår som et hvitt område i mikrofotografiet, og lengden på det hvite området øker med økende pulsenergi. Ved å polere prøven observerte vi de morfologiske egenskapene til det hvite området ved en pulsenergi på 15,4 μJ under et skanningselektronmikroskop, som vist i figur (b). Det kan konkluderes med at en nanopore med en diameter på omtrent 200 nm dannes i området med redusert brytningsindeks.

Gjennom ionestråleetsing og in-situ skanningselektronmikroskop-observasjonssystemer bekreftet vi ytterligere tilstedeværelsen av nanopore (figur c). For å minimere genereringen av laserinduserte defekter, bør derfor ikke enkeltpulsenergien overstige 9,5 μJ under lasersveising.

3. Oppnå høykvalitets mikrosveising mellom smeltede silikaglass ved bruk av Bessel ultrakort pulslaser.

Figur (a) viser et mikroskopbilde av prøvens sveiseflate sett ovenfra. Det kan sees at lasersveiselinjen er jevn og glatt. Selv om det fortsatt er noen få tilfeldig fordelte mikroporedefekter i det sveisede området, er den totalt sett betydelig bedre enn den gaussiske lasersveiselinjen. Målinger viser at sveiselinjebredden er omtrent 18 μm, og avstanden mellom sveiselinjene er 40 μm. Figur (b) viser et mikroskopbilde av prøvens sveiselinje sett fra siden.

Det kan sees at gapet mellom prøvene forsvinner fullstendig etter laserbehandling, og materialet nær grensesnittet har smeltet sammen til én enhet etter å ha gjennomgått den termiske smelte- og kjøleprosessen. Målinger viser at dybden på det laserinduserte termiske smelteområdet når opptil 227 μm. Dette indikerer at under lasersveising med disse parametrene kan fokusposisjonens aksiale dybde nå opptil 227 μm, som er fire ganger så høy som ved gaussisk lasersveising under de samme forholdene.

4. Hvor kan man kjøpe Bessel-objektiver?

Wavelength Opto-Electronic tilbyr Bessel-linser av høy kvalitet som brukes i laserbehandlingsapplikasjoner. Justerbarheten av fokusdybden til utgangsstrålen ved å justere størrelsen på inngangsstrålens diameter er den mest attraktive egenskapen til dette Bessel-stråleoptiske systemet.