Bessel-palkin suunnittelumenetelmät

Jotta materiaalit sulaisivat samanaikaisesti rajapinnan molemmilla puolilla ja muodostuisi suurilujuuksinen mikroaluesidos, laserin polttopisteen on oltava tarkasti kohdistettu näytteeseen, mikä asettaa tiukat vaatimukset hitsausjärjestelmän prosessointitarkkuudelle. Lisäksi Gaussin säteen suuren aksiaalisen intensiteettigradientin vuoksi fokusoinnin jälkeen polttokentän lämpötila on epätasainen, mikä tekee siitä alttiimman mikro- ja nanoaukkojen muodostumiselle laserin vaikutusalueella, mikä puolestaan ​​vaikuttaa näytteen hitsauslaatuun.

Spatiaalista valonmuokkaustekniikkaa voidaan käyttää nolla-asteen Bessel-säteiden luomiseen laserin polttokentän intensiteettijakauman optimoimiseksi. Tämä lähestymistapa pienentää aksiaalista intensiteettigradienttia ja pidentää polttoväliä, mikä lisää laserin muodostaman lämpövaikutusalueen syvyys-leveyssuhdetta. Tämän seurauksena se vähentää laserhitsausjärjestelmän tarkennustarkkuusvaatimuksia, mikä parantaa sekä hitsauksen laatua että tehokkuutta.

1. Ei-diffraktoivien Bessel-palkkien generointi ja parametrisuunnittelu

Vuonna 1987 Durnin ehdotti ensimmäisenä nolla-asteen Bessel-säteen, jolla on ainutlaatuisia diffraktioimattomia ominaisuuksia: sen poikittainen valokentän intensiteettijakauma pysyy muuttumattomana etenemisen aikana, ja keskipisteen koko on aina lähellä diffraktiorajaa. Lisäksi Bessel-säteillä on myös itsekorjautuva ominaisuus etenemisen aikana. Kun keskipiste peittyy, ympäröivä valo konvergoituu kohti keskustaa "korjaamaan" keskipisteen. Nolla-asteen Bessel-säteen poikittaisen valokentän jakauman matemaattinen lauseke on:

Lausekkeessa:

• J0 edustaa nolla-asteen Bessel-funktiota.
• r ja φ ovat vastaavasti säteittäiset ja kulmakoordinaattielementit.
• z on etenemisetäisyys.
• Kr ja Kz ovat vastaavasti poikittaiset ja pitkittäiset aaltovektorielementit.

Nolla-asteen Bessel-säteen keskeisellä pääpisteellä on voimakas rajoituskyky, mikä mahdollistaa TW/cm²:n tai sitä korkeammat säteilytasot, jotka voivat tehokkaasti virittää epälineaarista absorptiota materiaaleissa. Vielä tärkeämpää on, että nolla-asteen Bessel-säteiden diffraktoimaton eteneminen tarjoaa suuremman syvyyspolun ja pienemmän aksiaalisen intensiteettigradientin, mikä luo lähes tasaisen lämpötilakentän ja estää hitsausvirheiden muodostumisen.

Seuraava kuva vertailee Bessel-keilojen ja Gaussisten keilojen polttovälejä samalla poikittaisella rajoituskyvyllä. Bessel-keiloilla on huomattava syväpolttopiste samalla, kun niiden poikittainen polttopisteen halkaisija on mikronitason.

Nolla-asteen Bessel-säteiden luomiseen on useita menetelmiä, ja seuraavat kolme päämenetelmää ovat yleisiä:

Rengasmainen aukko -menetelmä: Rengasmainen aukko -menetelmässä, kuten nimestä voi päätellä, käytetään rengasmaista rakoa Bessel-keilojen tuottamiseen. Tämä oli myös ensimmäinen onnistunut menetelmä Bessel-keilojen tuottamiseen. Alla oleva kaavio havainnollistaa rengasmaista aukko -menetelmää Bessel-keilojen tuottamiseksi. Tasoaalto tulee kohtisuoraan rengasmaiseen rakoon vasemmalta, ja diffraktio tapahtuu.

Tämän jälkeen positiivinen linssi suorittaa Fourier-muunnoksen, jonka tuloksena linssin taakse muodostuu Bessel-säde. Diffraktoimaton etenemismatka Zmax liittyy rengasmaisen raon halkaisijaan d ja linssin numeeriseen aukkoon.

Vaikka tällä menetelmällä voidaan tuottaa nolla-asteen Bessel-säteitä, energianmuunnostehokkuus on erittäin alhainen, mikä tekee sen soveltamisesta laserkäsittelykentillä vaikeaa.

Spatiaalinen valomodulaattorimenetelmä: Nolla-asteen Bessel-säteen generointiprosessi on pohjimmiltaan säteen vaihejakauman muuttamisprosessi. Siksi nolla-asteen Bessel-säde voidaan generoida myös spatiaalisella valomodulaattorilla. Spatiaalinen valomodulaattori on optoelektroninen modulointilaite, joka ohjaa valokentän voimakkuutta ja vaihejakaumaa sähköisten signaalien avulla. Nolla-asteen Bessel-säde voidaan generoida kohdistamalla kartiomainen linssivaihe, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty, spatiaalisen valomodulaattorin työpaneeliin.

Aksikonimenetelmä: Aksikoni on yksi yleisimmin käytetyistä passiivisista lasipohjaisista diffraktiivisista elementeistä Bessel-keilojen generointiin. Kun Gaussin säde osuu normaalisti aksikoniin ja kulkee sen läpi, sen vaihejakauma moduloituu, jolloin se muuttuu nollan asteen Bessel-keilaksi ilman energiahäviötä, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Lasisten aksionien alhaisen hinnan, helppokäyttöisyyden ja korkean laservauriokynnyksen sekä poikkeuksellisen korkean energiankäyttötehokkuuden ansiosta aksionit ovat ensisijainen valinta ultralyhyiden pulssien Bessel-keilan tuottamiseen laserkäsittelyn alalla. Alla oleva kuva esittää kaaviokuvan nolla-asteen Bessel-säteen säteen kaventumisesta ja läpäisystä. Säätämällä 4f-kuvantamisjärjestelmän suurennusta ja suuntaa voidaan helposti hallita Bessel-säteen ei-diffraktiivista etenemismatkaa, puolikartiokulmaa ja kallistuskulmaa etenemissuunnassa.

Kun nollan asteen Bessel-säde, jonka puolikartiokulma on Ɵ1 ja diffraktiovapaa etenemismatka Zmax, kulkee linssistä (L1) ja objektiivista (L2) koostuvan 4f-järjestelmän läpi, geometriset mitat supistuvat entisestään. Sivusuunnassa suurennus on noin M=f1/f2=5 ja pitkittäissuunnassa noin M2=25. Siten nollan asteen Bessel-säteen lopullinen kuvantaminen näytteen sisällä voidaan esittää geometrisilla parametreilla:

Bessel-säteen geometriset parametrit kuvattuna kvartsilasinäytteen sisällä eri kartiokulmilla ja säteen puristussuurennuksilla.

Bessel-säteen tarkennuskentän intensiteettijakauma

• r ja z: Radiaali- ja aksiaalikoordinaattikomponentit.
• λ: Laserin keskeinen aallonpituus.
• w: tulevan Gaussin säteen 1/e² säde.
• P0: Ultralyhytpulssilaserin huipputeho.
• β1: Bessel-palkin puolikartiokulma palkin kokoonpuristuksen jälkeen.
• k: Aaltovektori.
• J0: Nolla-asteen Bessel-funktio.

Nolla-asteen Bessel-säteen intensiteettijakauma kvartsilasin sisällä: Vasemmalla on optisen tehotiheyden jakauma etenemissuunnan suuntaisesti ja poikkileikkauskuva, ja oikealla on optisen tehotiheyden jakauma akselin suuntaisesti ja poikkileikkauskuva.

2. Femtosekuntipulssin Bessel-säteen ominaisuudet sulatetussa piidioksidilasissa

Kuva (a) esittää mikrokuvia femtosekuntipulssien Bessel-säteiden ja kvartsilasin välisestä vuorovaikutuksesta eri pulssienergioilla. Laserpulssin leveys on kiinteä 220 fs ja Bessel-säteen puolikartiokulma näytteen sisällä on 12,4°. Voidaan havaita, että laserin vaikutusalueella on tyypillinen yksiulotteinen lineaarinen rakenne. Kun laserpulssienergia on alle 9,5 μJ, materiaalin taitekerroin polttovälialueella kasvaa, jolloin se näkyy mustana alueena mikrokuvassa.

Kun laserpulssin energia ylittää 9,5 μJ, materiaalin taitekerroin polttovälillä pienenee ja näkyy mikrokuvassa valkoisena alueena, ja valkoisen alueen pituus kasvaa pulssienergian kasvaessa. Kiillottamalla näytettä havaitsimme valkoisen alueen morfologiset ominaisuudet 15,4 μJ:n pulssienergialla pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, kuten kuvassa (b) on esitetty. Voidaan päätellä, että taitekertoimen omaavalle alueelle muodostuu noin 200 nm:n halkaisijaltaan oleva nanohuokos.

Ionisuihkuetsauksen ja in situ -pyyhkäisyelektronimikroskooppihavainnointijärjestelmien avulla varmistimme nanohuokosten läsnäolon (kuva c). Siksi laserin aiheuttamien vikojen syntymisen minimoimiseksi yksittäisen pulssin energian ei tulisi ylittää 9,5 μJ laserhitsauksen aikana.

3. Korkealaatuisen mikrohitsauksen saavuttaminen kvartsilasien välillä Besselin ultralyhytpulssilaserilla.

Kuva (a) esittää näytteen hitsauspinnan mikrokuvan ylhäältäpäin. Voidaan nähdä, että laserhitsauslinja on tasainen ja sileä. Vaikka hitsatulla alueella on edelleen muutamia satunnaisesti jakautuneita mikrohuokosvirheitä, se on kokonaisuudessaan huomattavasti parempi kuin Gaussinen laserhitsauslinja. Mittaukset osoittavat, että hitsauslinjan leveys on noin 18 μm ja hitsauslinjojen välinen etäisyys on 40 μm. Kuva (b) esittää näytteen hitsauslinjan mikrokuvan sivultapäin.

Voidaan nähdä, että näytteiden välinen rako häviää kokonaan laserkäsittelyn jälkeen, ja rajapinnan lähellä oleva materiaali on sulanut yhdeksi kokonaisuudeksi lämpösulatus-jäähdytysprosessin jälkeen. Mittaukset osoittavat, että laserin aiheuttaman lämpösulatusalueen syvyys on jopa 227 μm. Tämä osoittaa, että näillä parametreilla laserhitsauksessa polttopisteen aksiaalinen syvyys voi olla jopa 227 μm, mikä on neljä kertaa suurempi kuin Gaussin laserhitsauksessa samoissa olosuhteissa.

4. Mistä ostaa Bessel-linssejä?

Wavelength Opto-Electronic tarjoaa korkealaatuisia Bessel-linssejä, joita käytetään laserkäsittelysovelluksissa. Lähtösäteen syväterävyyden säädettävyys säätämällä sisääntulosäteen halkaisijaa on tämän Bessel-sädeoptisen järjestelmän houkuttelevin ominaisuus.