Metode projektovanja Besselovih greda

Da bi se istovremeno otopili materijali s obje strane granične površine i uspostavila visokočvrsta mikro-regionalna veza, laserska žarišna tačka mora biti precizno fokusirana na uzorak, što nameće stroge zahtjeve na tačnost obrade sistema za zavarivanje. Osim toga, zbog velikog aksijalnog gradijenta intenziteta Gaussovog snopa nakon fokusiranja, temperatura žarišnog polja je neujednačena, što ga čini sklonim formiranju mikro- i nano-šupljina u području pogođenom laserom, što zauzvrat utiče na kvalitet 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 produžava žarišnu daljinu, čime se povećava odnos dubine i širine područja termičkog efekta koje formira laser. Kao rezultat toga, smanjuju se zahtjevi za tačnošću fokusiranja laserskog sistema za zavarivanje, poboljšavajući i kvalitet i efikasnost zavarivanja.

1. Generisanje i dizajn parametara nedifrakcijskih Besselovih snopova

Godine 1987., Durnin je prvi predložio Bessel-ov snop nultog reda, koji pokazuje jedinstvena svojstva nedifrakcije: njegova transverzalna raspodjela intenziteta svjetlosnog polja ostaje nepromijenjena tokom propagacije, a veličina centralne tačke je uvijek blizu granice difrakcije. Pored toga, Bessel-ovi snopovi također pokazuju svojstvo samoobnavljanja tokom propagacije. Kada je centralna tačka zaklonjena, okolna svjetlost će konvergirati prema centru kako bi "popravila" centralnu tačku. Matematički izraz za transverzalnu raspodjelu svjetlosnog polja Bessel-ovog snopa nultog reda je:

U izrazu:

• J0 predstavlja Besselovu funkciju nultog reda.
• r i φ su radijalni i ugaoni koordinatni elementi, respektivno.
• z je udaljenost propagacije.
• Kr i Kz su transverzalni i longitudinalni elementi talasnog vektora, respektivno.

Centralna glavna tačka Besselovog snopa nultog reda ima snažnu sposobnost ograničavanja, omogućavajući nivoe ozračivanja reda veličine TW/cm² ili više, što može efikasno pobuditi nelinearnu apsorpciju u materijalima. Još važnije, karakteristika nedifrakcijskog širenja Besselovih snopova nultog reda pruža veću dubinu fokusa i manji aksijalni gradijent intenziteta, stvarajući tako gotovo ujednačeno temperaturno polje i suzbijajući stvaranje defekata zavarivanja.

Sljedeća slika prikazuje poređenje žarišne daljine Besselovih snopova i Gaussovih snopova pod istim kapacitetom poprečnog ograničenja. Besselovi snopovi posjeduju značajnu dubinu fokusa, a istovremeno održavaju poprečni prečnik žarišne tačke na nivou mikrona.

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

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

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

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

Metoda prostornog modulatora svjetlosti: Proces generiranja Besselovog snopa nultog reda je u suštini proces promjene fazne distribucije snopa. Stoga se Besselov snop nultog reda može generirati i pomoću prostornog modulatora svjetlosti. Prostorni modulator svjetlosti je vrsta optoelektronskog modulacijskog uređaja koji kontrolira intenzitet svjetlosnog polja i faznu distribuciju putem električnih signala. Besselov snop nultog reda može se generirati primjenom faze konusnog sočiva, kao što je prikazano na slici ispod, na radnu ploču prostornog modulatora svjetlosti.

Aksikon metoda: 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, transformirajući ga u Besselov snop nultog reda bez ikakvog gubitka energije, kao što je prikazano na slici ispod.

Zbog niske cijene, jednostavnosti upotrebe i visokog praga oštećenja laserom staklenih aksikona, kao i njihove izuzetno visoke efikasnosti 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 uvećanja i orijentacije 4f sistema za snimanje, nedifrakcijska udaljenost propagacije, ugao polukonusa i ugao nagiba u smjeru propagacije Besselovog snopa mogu se lako kontrolirati.

Kada Bessel-ov snop nultog reda sa uglom polukonusa od Ɵ1 i difrakcijskim rastojanjem Zmax prođe kroz 4f sistem sastavljen od sočiva (L1) i objektiva (L2), geometrijske dimenzije će biti dodatno komprimovane. Lateralno uvećanje je približno M=f1/f2=5, a longitudinalno uvećanje je približno M2=25. Dakle, konačna slika Bessel-ovog snopa nultog reda unutar uzorka može se predstaviti geometrijskim parametrima:

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

Raspodjela intenziteta fokusnog polja Besselovog snopa

• r i z: Radijalne i aksijalne koordinatne komponente, respektivno.
• λ: Centralna talasna dužina lasera.
• w: 1/e² poluprečnik upadnog Gaussovog snopa.
• P0: Vršna snaga ultrakratkog pulsnog lasera.
• β1: Ugao polukonusa Besselovog snopa nakon kompresije snopa.
• k: Talasni vektor.
• J0: Besselova funkcija nultog reda.

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

2. Karakteristike femtosekundnog pulsirajućeg Besselovog snopa u topljenom silicijum dioksidnom staklu

Slika (a) prikazuje mikrografije interakcije između femtosekundnih pulsirajućih Besselovih snopova i fuzioniranog silicijumskog stakla pri različitim energijama pulsa. Širina laserskog pulsa je fiksirana na 220 fs, a ugao 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 prelamanja materijala u fokalnom području se povećava, pojavljujući se kao crno područje na mikrografiji.

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

Pomoću sistema za nagrizanje jonskim snopom i posmatranja in situ skenirajućim elektronskim mikroskopom, dodatno smo potvrdili prisustvo nanopora (Slika c). Stoga, kako bi se minimiziralo stvaranje laserski izazvanih defekata, energija pojedinačnog impulsa ne bi trebala prelaziti 9,5 μJ tokom laserskog zavarivanja.

3. Postizanje visokokvalitetnog mikro-zavarivanja između stakala od rastopljenog silicija korištenjem Besselovog ultrakratkog pulsnog lasera.

Slika (a) prikazuje mikrografiju površine zavara uzorka iz ptičje perspektive. Može se vidjeti da je laserska linija zavara ujednačena i glatka. Iako još uvijek postoji nekoliko nasumično raspoređenih mikropora u zavarenom području, sveukupno 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 granične površine se stopio u jednu cjelinu nakon što je prošao proces termičkog topljenja i hlađenja. Mjerenja pokazuju da dubina laserski indukovanog područja termičkog topljenja doseže i do 227 μm. To ukazuje na to da tokom laserskog zavarivanja s ovim parametrima, aksijalna dubina žarišne pozicije može doseći i do 227 μm, što je četiri puta više od Gaussovog laserskog zavarivanja pod istim uslovima.

4. Gdje kupiti Bessel sočiva?

Talasna dužina Opto-Electronic nudi visokokvalitetne Bessel sočiva koja se koriste u aplikacijama laserske obrade. Mogućnost podešavanja dubine fokusa izlaznog snopa podešavanjem veličine prečnika ulaznog snopa je najatraktivnija karakteristika ovog Besselovog optičkog sistema.