Bessel-gerenda tervezési módszerek

Ahhoz, hogy az anyagok a határfelület mindkét oldalán egyszerre megolvadjanak és nagy szilárdságú mikrorégiós kötés jöjjön létre, a lézer fókuszpontját pontosan a mintára kell fókuszálni, ami szigorú követelményeket támaszt a hegesztőrendszer feldolgozási pontosságával szemben. Ezenkívül a Gauss-sugár fókuszálás utáni nagy axiális intenzitásgradiense miatt a fókusztér hőmérséklete egyenetlen, ami hajlamosít a mikro- és nano-üreghibák kialakulására a lézerrel érintett területen, ami viszont befolyásolja a minta hegesztési minőségét.

A térbeli fényformálási technológia nulladrendű Bessel-sugarak előállítására használható a lézer fókuszmezőjének intenzitáseloszlásának optimalizálása érdekében. Ez a megközelítés csökkenti az axiális intenzitásgradienst és növeli a fókusztávolságot, ezáltal növelve a lézer által létrehozott hőhatás-tartomány mélység-szélesség arányát. Ennek eredményeként csökken a lézeres hegesztőrendszer fókuszálási pontossági követelményei, javítva mind a hegesztés minőségét, mind a hatékonyságot.

1. Nem diffraktáló Bessel-gerendák generálása és paramétertervezése

1987-ben Durnin javasolta először a nulladrendű Bessel-nyalábot, amely egyedi, nem diffrakciós tulajdonságokkal rendelkezik: a transzverzális fénytérerősség-eloszlása ​​változatlan marad a terjedés során, és a központi folt mérete mindig közel van a diffrakciós határhoz. Ezenkívül a Bessel-nyalábok öngyógyító tulajdonsággal is rendelkeznek a terjedés során. Amikor a központi foltot eltakarják, a környező fény a középpont felé konvergál, hogy „javítsa” a központi foltot. A nulladrendű Bessel-nyaláb transzverzális fénytér-eloszlásának matematikai kifejezése:

A kifejezésben:

• A J0 a nulladrendű Bessel-függvényt jelöli.
• r és φ rendre a radiális és szögkoordinátaelemek.
• z a terjedési távolság.
• Kr és Kz a transzverzális, illetve longitudinális hullámvektor elemek.

A nulladrendű Bessel-nyaláb központi főfoltja erős határolóképességgel rendelkezik, lehetővé téve a TW/cm² vagy annál magasabb besugárzási szinteket, amelyek hatékonyan gerjesztik a nemlineáris abszorpciót az anyagokban. Ennél is fontosabb, hogy a nulladrendű Bessel-nyalábok nem diffrakciós terjedési jellemzője nagyobb fókuszmélységet és kisebb axiális intenzitásgradienst biztosít, így közel egyenletes hőmérsékleti mezőt hoz létre és elnyomja a hegesztési hibák kialakulását.

A következő ábra a Bessel-nyalábok és a Gauss-nyalábok fókusztávolságának összehasonlítását mutatja azonos transzverzális határoló képesség mellett. A Bessel-nyalábok jelentős mélységélességgel rendelkeznek, miközben transzverzális mikron szintű fókuszfolt-átmérőt tartanak fenn.

A nulladrendű Bessel-gerendák előállításának számos módszere létezik, és a következő három fő módszer gyakori:

Gyűrűs apertúra módszer: A gyűrűs apertúra módszer, ahogy a neve is sugallja, egy gyűrűs rés használatát jelenti Bessel-nyalábok előállítására. Ez volt az első sikeres módszer Bessel-nyalábok létrehozására is. Az alábbi ábra a gyűrűs apertúra módszert szemlélteti Bessel-nyalábok előállítására. Egy síkhullám esik merőlegesen a gyűrűs résbe balról, és diffrakció történik.

Ezután egy pozitív lencse Fourier-transzformációt hajt végre, aminek eredményeként egy Bessel-nyaláb alakul ki a lencse mögött. A nem diffraktáló Zmax terjedési távolság a gyűrű alakú rés d átmérőjéhez és a lencse numerikus apertúrájához kapcsolódik.

Bár ez a módszer nulladrendű Bessel-nyalábokat képes előállítani, az energiaátalakítási hatásfok rendkívül alacsony, ami megnehezíti az alkalmazását lézeres feldolgozási területeken.

Térbeli fénymodulátor módszer: A nulladrendű Bessel-nyaláb generálási folyamata lényegében a nyaláb fáziseloszlásának megváltoztatása. Ezért nulladrendű Bessel-nyaláb is generálható térbeli fénymodulátorral. A térbeli fénymodulátor egy olyan optoelektronikai modulációs eszköz, amely elektromos jelek segítségével szabályozza a fénytér intenzitását és fáziseloszlását. A nulladrendű Bessel-nyaláb úgy generálható, hogy a kúpos lencse fázisát, ahogy az az alábbi ábrán látható, a térbeli fénymodulátor munkalapjára alkalmazzuk.

Axikon módszer: Az axikon az egyik leggyakrabban használt passzív üvegalapú diffraktív elem Bessel-nyalábok előállítására. Amikor egy Gauss-nyaláb normális esetben beesik az axikonra és áthalad rajta, a fáziseloszlása ​​modulálódik, így nulladrendű Bessel-nyalábká alakul energiaveszteség nélkül, ahogy az az alábbi ábrán is látható.

Az üveg axikonok alacsony költsége, könnyű használhatósága és magas lézerkárosodási küszöbértéke, valamint kivételesen magas energiafelhasználási hatékonyságuk miatt az axikonok az elsődleges választások ultrarövid impulzusú Bessel-nyalábok előállítására a lézeres megmunkálás területén. Az alábbi ábra egy nulladrendű Bessel-nyaláb nyalábszűkítésének és áteresztésének vázlatát mutatja. A 4f képalkotó rendszer nagyításának és orientációjának beállításával könnyen szabályozható a nem diffraktív terjedési távolság, a félkúp szöge és a Bessel-nyaláb terjedési irányában a dőlésszög.

Amikor egy Ɵ1 félkúpszögű és Zmax diffrakciómentes terjedési távolságú nulladrendű Bessel-sugár áthalad egy lencséből (L1) és objektívlencséből (L2) álló 4f-es rendszeren, a geometriai méretek tovább összenyomódnak. Az oldalirányú nagyítás körülbelül M=f1/f2=5, a longitudinális nagyítás pedig körülbelül M2=25. Így a nulladrendű Bessel-sugár végső képalkotása a mintán belül a következő geometriai paraméterekkel ábrázolható:

A Bessel-nyaláb geometriai paraméterei kvarcüveg mintán belül, különböző kúpszögek és nyalábkompressziós nagyítások mellett.

Bessel-nyaláb fókuszmező intenzitáseloszlása

• r és z: Radiális és axiális koordinátakomponensek.
• λ: A lézer központi hullámhossza.
• w: a beeső Gauss-sugár 1/e² sugara.
• P0: Az ultrarövid impulzuslézer csúcsteljesítménye.
• β1: A Bessel-gerenda félkúpszöge a gerenda összenyomódása után.
• k: Hullámvektor.
• J0: Nulladrendű Bessel-függvény.

A nulladrendű Bessel-sugár intenzitáseloszlása ​​kvarcüvegben: Bal oldalon az optikai teljesítménysűrűség-eloszlás a terjedési irány mentén és a keresztmetszeti nézet, jobb oldalon pedig az optikai teljesítménysűrűség-eloszlás a tengely mentén és a keresztmetszeti nézet látható.

2. A femtoszekundumos impulzusos Bessel-nyaláb jellemzői olvasztott szilícium-dioxid üvegben

Az (a) ábra a femtoszekundumos impulzusú Bessel-nyalábok és az olvasztott szilícium-dioxid üveg kölcsönhatásának mikrofelvételeit mutatja különböző impulzusenergiák mellett. A lézerimpulzus szélessége 220 fs-ra van rögzítve, a Bessel-nyaláb félkúpszöge a mintán belül 12,4°. Megfigyelhető, hogy a lézerrel érintett terület tipikus egydimenziós lineáris szerkezetet mutat. Amikor a lézerimpulzus energiája kisebb, mint 9,5 μJ, az anyag törésmutatója a fókuszterületen megnő, ami fekete területként jelenik meg a mikrofelvételen.

Amikor a lézerimpulzus energiája meghaladja a 9,5 μJ-t, az anyag törésmutatója a fókuszterületen csökken, fehér területként jelenik meg a mikrofelvételen, és a fehér terület hossza növekszik az impulzusenergia növekedésével. A minta polírozásával pásztázó elektronmikroszkóp alatt 15,4 μJ impulzusenergiánál megfigyeltük a fehér terület morfológiai jellemzőit, amint az a (b) ábrán látható. Megállapítható, hogy a csökkent törésmutatójú területen egy körülbelül 200 nm átmérőjű nanopórus alakul ki.

Ionsugaras maratással és in situ pásztázó elektronmikroszkópos megfigyelőrendszerekkel tovább igazoltuk a nanopórus jelenlétét (c. ábra). Ezért a lézer által kiváltott hibák keletkezésének minimalizálása érdekében az egyetlen impulzus energiája nem haladhatja meg a 9,5 μJ-t lézerhegesztés során.

3. Kiváló minőségű mikrohegesztés olvasztott szilícium-dioxid üvegek között Bessel ultrarövid impulzuslézerrel.

Az (a) ábra a minta hegesztési felületének felülnézeti mikrofelvételét mutatja. Látható, hogy a lézerhegesztési vonal egyenletes és sima. Bár a hegesztett területen még mindig van néhány véletlenszerűen elosztott mikropórusos hiba, összességében lényegesen jobb, mint a Gauss-lézeres hegesztési vonal. A mérések azt mutatják, hogy a hegesztési vonal szélessége körülbelül 18 μm, a hegesztési vonalak közötti távolság pedig 40 μm. A (b) ábra a minta hegesztési vonalának oldalnézeti mikrofelvételét mutatja.

Látható, hogy a lézeres megmunkálás után a minták közötti rés teljesen eltűnik, és a határfelület közelében lévő anyag a termikus olvadási-hűtési folyamat után egyetlen egésszé olvadt össze. A mérések azt mutatják, hogy a lézer által indukált termikus olvadási régió mélysége eléri a 227 μm-t. Ez azt jelzi, hogy ilyen paraméterekkel végzett lézerhegesztés során a fókuszpozíció tengelyirányú mélysége elérheti a 227 μm-t, ami négyszerese az azonos körülmények között végzett Gauss-lézeres hegesztéshez képest.

4. Hol lehet Bessel-lencséket vásárolni?

A Wavelength Opto-Electronic kiváló minőségű Bessel-lencséket kínál, amelyeket lézeres megmunkálási alkalmazásokban használnak. A kimeneti nyaláb mélységének hangolhatósága a bemeneti nyaláb átmérőjének beállításával a Bessel-nyalábos optikai rendszer legvonzóbb tulajdonsága.