Metodat e Projektimit të Trarëve Bessel

Për të shkrirë njëkohësisht materialet në të dyja anët e ndërfaqes dhe për të krijuar një lidhje mikro-rajonale me fortësi të lartë, pika fokale e lazerit duhet të fokusohet saktësisht në mostër, gjë që imponon kërkesa të rrepta për saktësinë e përpunimit të sistemit të saldimit. Përveç kësaj, për shkak të gradientit të madh të intensitetit aksial të rrezes Gaussian pas fokusimit, temperatura e fushës fokale është e pabarabartë, duke e bërë atë të prirur për të formuar defekte mikro- dhe nano-zbrazëtirë në rajonin e prekur nga lazeri, gjë që nga ana tjetër ndikon në cilësinë e saldimit të mostrës.

Teknologjia e formësimit të dritës hapësinore mund të përdoret për të gjeneruar rreze Bessel të rendit zero për të optimizuar shpërndarjen e intensitetit të fushës fokale të lazerit. Kjo qasje zvogëlon gradientin e intensitetit aksial dhe zgjat gjatësinë fokale, duke rritur kështu raportin thellësi-gjerësi të rajonit të efektit termik të formuar nga lazeri. Si rezultat, zvogëlon kërkesat e saktësisë së fokusimit të sistemit të saldimit me lazer, duke përmirësuar si cilësinë ashtu edhe efikasitetin e saldimit.

1. Gjenerimi dhe Projektimi i Parametrave të Trarëve Bessel Jo-Difraktues

Në vitin 1987, Durnin propozoi për herë të parë rrezen Bessel të rendit zero, e cila tregon veti unike jo-difraksionuese: shpërndarja e saj tërthore e intensitetit të fushës së dritës mbetet e pandryshuar gjatë përhapjes, dhe madhësia e pikës qendrore është gjithmonë afër limitit të difraksionit. Përveç kësaj, rrezet Bessel shfaqin gjithashtu një veti vetë-shëruese gjatë përhapjes. Kur pika qendrore është e bllokuar, drita përreth do të konvergojë drejt qendrës për ta "riparuar" pikën qendrore. Shprehja matematikore për shpërndarjen tërthore të fushës së dritës të një rrezeje Bessel të rendit zero është:

Në shprehjen:

• J0 përfaqëson funksionin Bessel të rendit zero.
• r dhe φ janë përkatësisht elementët e koordinatave radiale dhe këndore.
• z është distanca e përhapjes.
• Kr dhe Kz janë përkatësisht elementët vektorialë tërthor dhe gjatësorë të valës.

Pika qendrore kryesore e një rrezeje Bessel të rendit zero ka një aftësi të fortë kufizimi, duke lejuar nivele rrezatimi të rendit TW/cm² ose më të larta, të cilat mund të nxisin në mënyrë efektive thithjen jolineare në materiale. Më e rëndësishmja, karakteristika e përhapjes jo-difraksionale e rrezeve Bessel të rendit zero siguron një thellësi më të madhe fokusi dhe një gradient më të vogël të intensitetit aksial, duke krijuar kështu një fushë temperature pothuajse uniforme dhe duke shtypur formimin e defekteve të saldimit.

Figura e mëposhtme tregon një krahasim të gjatësisë fokale të rrezeve Bessel dhe rrezeve Gaussian nën të njëjtën aftësi kufizimi tërthor. Rrezet Bessel kanë një thellësi të konsiderueshme fokusi, ndërsa ruajnë një diametër të njollës fokale tërthor në nivelin e mikronit.

Ekzistojnë disa metoda për gjenerimin e trarëve Bessel të rendit zero, dhe tre metodat kryesore të mëposhtme janë të zakonshme:

Metoda e Hapjes Unazore: Metoda e hapjes unazore, siç sugjeron edhe emri, përfshin përdorimin e një çarjeje unazore për të prodhuar rreze Bessel. Kjo ishte gjithashtu metoda e parë e suksesshme për gjenerimin e rrezeve Bessel. Diagrama më poshtë ilustron metodën e hapjes unazore për gjenerimin e rrezeve Bessel. Një valë planare bie pingul mbi çarjen unazore nga e majta dhe ndodh difraksioni.

Më pas, një lente pozitive kryen një transformim Furier, duke rezultuar në formimin e një rrezeje Bessel pas lentes. Distanca e përhapjes jo-difraktuese Zmax lidhet me diametrin d të çarjes unazore dhe hapjen numerike të lentes.

Edhe pse kjo metodë mund të gjenerojë rreze Bessel të rendit zero, efikasiteti i konvertimit të energjisë është jashtëzakonisht i ulët, duke e bërë të vështirë zbatimin e saj në fushat e përpunimit me lazer.

Metoda e Modulatorit të Dritës Hapësinore: Procesi i gjenerimit të një rrezeje Bessel të rendit zero është në thelb një proces i ndryshimit të shpërndarjes së fazës së rrezes. Prandaj, një rreze Bessel e rendit zero mund të gjenerohet gjithashtu duke përdorur një modulator drite hapësinore. Një modulator drite hapësinore është një lloj pajisjeje modulimi optoelektronik që kontrollon intensitetin e fushës së dritës dhe shpërndarjen e fazës përmes sinjaleve elektrike. Një rreze Bessel e rendit zero mund të gjenerohet duke aplikuar fazën e lentes konike, siç tregohet në figurën më poshtë, në panelin e punës të modulatorit të dritës hapësinore.

Metoda Axicon: Një axicon është një nga elementët difraktivë pasivë me bazë qelqi më të përdorur për gjenerimin e rrezeve Bessel. Kur një rreze Gaussian normalisht bie mbi një axicon dhe kalon nëpër të, shpërndarja e saj e fazës modulohet, duke e transformuar atë në një rreze Bessel të rendit zero pa asnjë humbje energjie, siç tregohet në figurën më poshtë.

Për shkak të kostos së ulët, lehtësisë së përdorimit dhe pragut të lartë të dëmtimit nga lazeri të aksikoneve të qelqit, si dhe efikasitetit të tyre jashtëzakonisht të lartë të shfrytëzimit të energjisë, aksikonet janë zgjedhja kryesore për gjenerimin e rrezeve Bessel me pulse ultra të shkurtra në fushën e përpunimit me lazer. Figura më poshtë tregon një skemë të ngushtimit të rrezes dhe transmetimit të një rrezeje Bessel me renditje zero. Duke rregulluar zmadhimin dhe orientimin e sistemit të imazhit 4f, distanca e përhapjes jo-difraktive, këndi i gjysmë-konit dhe këndi i pjerrësisë në drejtimin e përhapjes së rrezes Bessel mund të kontrollohen lehtësisht.

Kur një rreze Bessel e rendit zero me një kënd gjysmëkonik prej Ɵ1 dhe një distancë përhapjeje pa difraksion prej Zmax kalon nëpër një sistem 4f të përbërë nga një lente (L1) dhe një lente objektivi (L2), dimensionet gjeometrike do të kompresohen më tej. Zmadhimi anësor është afërsisht M=f1/f2=5, dhe zmadhimi gjatësor është afërsisht M2=25. Kështu, imazhi përfundimtar i rrezes Bessel të rendit zero brenda mostrës mund të përfaqësohet nga parametrat gjeometrikë:

Parametrat gjeometrikë të rrezes Bessel të fotografuar brenda një mostre qelqi kuarci nën kënde të ndryshme konike dhe zmadhime të ndryshme të kompresimit të rrezes.

Shpërndarja e intensitetit të fushës së fokusit të një rrezeje Bessel

• r dhe z: Përkatësisht, komponentët e koordinatave radiale dhe boshtore.
• λ: Gjatësia e valës qendrore e lazerit.
• w: rrezja 1/e² e rrezes Gaussiane incidente.
• P0: Fuqia maksimale e lazerit me puls ultra të shkurtër.
• β1: Këndi gjysmëkonik i trarit Bessel pas ngjeshjes së trarit.
• k: Vektori i valës.
• J0: Funksioni Bessel i rendit zero.

Shpërndarja e intensitetit të rrezes Bessel të rendit zero brenda qelqit kuarc: Në të majtë është shpërndarja e dendësisë së fuqisë optike përgjatë drejtimit të përhapjes dhe pamja tërthore, dhe në të djathtë është shpërndarja e dendësisë së fuqisë optike përgjatë boshtit dhe pamja e prerjes tërthore.

2. Karakteristikat e Rrezes Bessel të Pulsit Femtosekondë në Qelq Silice të Shkrirë

Figura (a) tregon mikrografitë e bashkëveprimit midis rrezeve Bessel me puls femtosekondë dhe qelqit të silicës së shkrirë në energji të ndryshme të pulsit. Gjerësia e pulsit të lazerit është e fiksuar në 220 fs, dhe këndi gjysmë-konik i rrezes Bessel brenda mostrës është 12.4°. Mund të vërehet se rajoni i prekur nga lazeri shfaq një strukturë tipike lineare njëdimensionale. Kur energjia e pulsit të lazerit është më pak se 9.5 μJ, indeksi i thyerjes së materialit në rajonin fokal rritet, duke u shfaqur si një rajon i zi në mikrografi.

Kur energjia e pulsit të lazerit tejkalon 9.5 μJ, indeksi i thyerjes së materialit në rajonin fokal zvogëlohet, duke u shfaqur si një rajon i bardhë në mikroskop, dhe gjatësia e rajonit të bardhë rritet me rritjen e energjisë së pulsit. Duke e lëmuar mostrën, ne vëzhguam karakteristikat morfologjike të rajonit të bardhë në një energji pulsi prej 15.4 μJ nën një mikroskop elektronik skanues, siç tregohet në Figurën (b). Mund të konkludohet se një nanopore me një diametër prej afërsisht 200 nm formohet në rajonin me një indeks thyerjeje të reduktuar.

Nëpërmjet gdhendjes me rreze jonike dhe sistemeve të vëzhgimit me mikroskop elektronik skanues in-situ, ne konfirmuam më tej praninë e nanoporeve (Figura c). Prandaj, për të minimizuar gjenerimin e defekteve të shkaktuara nga lazeri, energjia e një pulsi të vetëm nuk duhet të kalojë 9.5 μJ gjatë saldimit me lazer.

3. Arritja e mikro-saldimit me cilësi të lartë midis gotave të silicës së shkrirë duke përdorur lazerin me puls ultra të shkurtër Bessel.

Figura (a) tregon një mikroskop me pamje nga lart të sipërfaqes së saldimit të mostrës. Mund të shihet se vija e saldimit me lazer është uniforme dhe e lëmuar. Edhe pse ka ende disa defekte të mikroporeve të shpërndara rastësisht në zonën e salduar, në përgjithësi, është dukshëm më e mirë se vija e saldimit me lazer Gaussian. Matjet tregojnë se gjerësia e vijës së saldimit është afërsisht 18 μm, dhe hapësira midis vijave të saldimit është 40 μm. Figura (b) tregon një mikroskop me pamje anësore të vijës së saldimit të mostrës.

Mund të shihet se boshllëku midis mostrave zhduket plotësisht pas përpunimit me lazer, dhe materiali pranë ndërfaqes është shkrirë në një njësi të vetme pasi i është nënshtruar procesit të shkrirjes-ftohjes termike. Matjet tregojnë se thellësia e rajonit të shkrirjes termike të induktuar nga lazeri arrin deri në 227 μm. Kjo tregon se gjatë saldimit me lazer me këto parametra, thellësia aksiale e pozicionit fokal mund të arrijë deri në 227 μm, që është katër herë më e madhe se ajo e saldimit me lazer Gaussian në të njëjtat kushte.

4. Ku mund të blihen lente Bessel?

Wavelength Opto-Electronic ofron lente Bessel me cilësi të lartë që përdoren në aplikimet e përpunimit me lazer. Akordueshmëria e thellësisë së fokusit të rrezes dalëse duke rregulluar madhësinë e diametrit të rrezes hyrëse është karakteristika më tërheqëse e këtij sistemi optik me rreze Bessel.