Beselio sijų projektavimo metodai

Norint vienu metu išlydyti medžiagas abiejose sąsajos pusėse ir sukurti didelio stiprumo mikrosrities jungtį, lazerio židinio taškas turi būti tiksliai sufokusuotas į mėginį, o tai kelia griežtus reikalavimus suvirinimo sistemos apdorojimo tikslumui. Be to, dėl didelio Gauso spindulio ašinio intensyvumo gradiento po fokusavimo židinio lauko temperatūra yra netolygi, todėl lazerio paveiktoje srityje gali susidaryti mikro- ir nanotuštumų defektai, o tai savo ruožtu turi įtakos mėginio suvirinimo kokybei.

Erdvinio šviesos formavimo technologija gali būti naudojama nulinės eilės Beselio spinduliams generuoti, siekiant optimizuoti lazerio židinio lauko intensyvumo pasiskirstymą. Šis metodas sumažina ašinio intensyvumo gradientą ir pailgina židinio nuotolį, taip padidindamas lazerio suformuotos šiluminio poveikio srities gylio ir pločio santykį. Dėl to sumažėja lazerinio suvirinimo sistemos fokusavimo tikslumo reikalavimai, pagerėja tiek suvirinimo kokybė, tiek efektyvumas.

1. Nedifrakcinių Beselio sijų generavimas ir parametrų projektavimas

1987 m. Durninas pirmasis pasiūlė nulinės eilės Beselio spindulį, kuris pasižymi unikaliomis nedifrakcinėmis savybėmis: jo skersinis šviesos lauko intensyvumo pasiskirstymas sklidimo metu išlieka nepakitęs, o centrinės dėmės dydis visada artimas difrakcijos ribai. Be to, Beselio spinduliai sklidimo metu taip pat pasižymi savaiminio atsistatymo savybe. Kai centrinė dėmė yra užstojama, aplinkinė šviesa konverguoja į centrą, kad „sutaupytų“ centrinę dėmę. Nulinės eilės Beselio spindulio skersinio šviesos lauko pasiskirstymo matematinė išraiška yra:

Išraiškoje:

• J0 žymi nulinės eilės Beselio funkciją.
• r ir φ yra atitinkamai radialiniai ir kampiniai koordinačių elementai.
• z yra sklidimo atstumas.
• Kr ir Kz yra atitinkamai skersiniai ir išilginiai bangovektoriaus elementai.

Nulinės eilės Beselio pluošto centrinė pagrindinė dėmė pasižymi didele sulaikymo geba, leidžiančia pasiekti TW/cm² ar didesnius apšvitos lygius, kurie gali efektyviai sužadinti netiesinę medžiagų absorbciją. Dar svarbiau, kad nulinės eilės Beselio pluoštų nedifrakcinis sklidimas suteikia didesnį fokusavimo gylį ir mažesnį ašinį intensyvumo gradientą, taip sukuriant beveik vienodą temperatūros lauką ir slopinant suvirinimo defektų susidarymą.

Šiame paveikslėlyje parodytas Beselio ir Gauso spindulių pluoštų židinio nuotolių palyginimas esant tokiai pačiai skersinei ribojimo galimybei. Beselio spinduliai pasižymi dideliu fokusavimo gyliu, išlaikant skersinį mikronų lygio židinio dėmės skersmenį.

Yra keli nulinės eilės Beselio sijų generavimo metodai, ir šie trys pagrindiniai metodai yra įprasti:

Žiedinės apertūros metodas: Žiedinės apertūros metodas, kaip rodo pavadinimas, apima žiedinio plyšio naudojimą Beselio spinduliams generuoti. Tai taip pat buvo pirmasis sėkmingas Beselio spindulių generavimo metodas. Žemiau pateiktoje diagramoje pavaizduotas žiedinės apertūros metodas Beselio spinduliams generuoti. Plokščioji banga krinta statmenai į žiedinį plyšį iš kairės ir įvyksta difrakcija.

Vėliau teigiamas lęšis atlieka Furjė transformaciją, dėl kurios už lęšio susidaro Beselio spindulys. Nedifrakcinis sklidimo atstumas Zmax yra susijęs su žiedinio plyšio skersmeniu d ir lęšio skaitine apertūra.

Nors šis metodas gali generuoti nulinės eilės Beselio pluoštus, energijos konversijos efektyvumas yra itin mažas, todėl jį sunku pritaikyti lazerinio apdorojimo srityse.

Erdvinio šviesos moduliatoriaus metodas: nulinės eilės Beselio spindulio generavimo procesas iš esmės yra spindulio fazinio pasiskirstymo keitimo procesas. Todėl nulinės eilės Beselio spindulį taip pat galima generuoti naudojant erdvinį šviesos moduliatorių. Erdvinis šviesos moduliatorius yra optoelektroninio moduliacijos įtaiso tipas, kuris valdo šviesos lauko intensyvumą ir fazinį pasiskirstymą elektriniais signalais. Nulinės eilės Beselio spindulį galima generuoti pritaikius kūginio lęšio fazę, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, erdvinio šviesos moduliatoriaus darbiniam skydeliui.

Aksikono metodas: aksikonas yra vienas iš dažniausiai naudojamų pasyviųjų stiklo pagrindu pagamintų difrakcinių elementų Beselio spinduliams generuoti. Kai Gauso spindulys paprastai krinta ant aksikono ir praeina per jį, jo fazinis pasiskirstymas moduliuojamas, transformuojant jį į nulinės eilės Beselio spindulį be jokių energijos nuostolių, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Dėl mažos kainos, paprasto naudojimo ir didelio lazerio pažeidimo slenksčio, taip pat dėl ​​išskirtinai didelio energijos panaudojimo efektyvumo, aksikonai yra pagrindinis pasirinkimas generuojant itin trumpų impulsų Beselio spindulius lazerinio apdorojimo srityje. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta nulinės eilės Beselio spindulio spindulio siaurėjimo ir pralaidumo schema. Reguliuojant 4f vaizdavimo sistemos didinimą ir orientaciją, galima lengvai valdyti nedifrakcinį sklidimo atstumą, puskūgio kampą ir pakreipimo kampą Beselio spindulio sklidimo kryptimi.

Kai nulinės eilės Beselio spindulys, kurio puskūgio kampas yra Ɵ1, o difrakcijos neturintis sklidimo atstumas – Zmax, praeina per 4f sistemą, sudarytą iš lęšio (L1) ir objektyvo lęšio (L2), geometriniai matmenys dar labiau sumažėja. Šoninis padidinimas yra maždaug M=f1/f2=5, o išilginis padidinimas – maždaug M2=25. Taigi, galutinį nulinės eilės Beselio spindulio vaizdą mėginio viduje galima pavaizduoti geometriniais parametrais:

Beselio spindulio geometriniai parametrai, vaizduojami kvarcinio stiklo mėginyje, esant skirtingiems kūgio kampams ir spindulio suspaudimo didinimams.

Beselio spindulio fokusuoto lauko intensyvumo pasiskirstymas

• r ir z: atitinkamai radialinė ir ašinė koordinačių dedamosios.
• λ: centrinis lazerio bangos ilgis.
• w: krintančio Gauso spindulio 1/e² spindulys.
• P0: Ultratrumpų impulsų lazerio maksimali galia.
• β1: Beselio spindulio puskūgio kampas po spindulio suspaudimo.
• k: Bangos vektorius.
• J0: Nulinės eilės Beselio funkcija.

Nulinės eilės Beselio spindulio intensyvumo pasiskirstymas kvarciniame stikle: kairėje pusėje pateiktas optinio galios tankio pasiskirstymas išilgai sklidimo krypties ir skerspjūvio vaizdas, o dešinėje – optinio galios tankio pasiskirstymas išilgai ašies ir skerspjūvio vaizdas.

2. Femtosekundinio impulso Beselio spindulio charakteristikos lydytame silicio stikle

(a) paveiksle parodytos femtosekundinių impulsų Beselio pluošto ir lydyto silicio stiklo sąveikos mikrografijos, esant skirtingoms impulsų energijoms. Lazerio impulso plotis yra fiksuotas – 220 fs, o Beselio pluošto puskūgio kampas mėginio viduje yra 12,4°. Galima pastebėti, kad lazerio paveikta sritis pasižymi tipine vienmačia linijine struktūra. Kai lazerio impulso energija yra mažesnė nei 9,5 μJ, medžiagos lūžio rodiklis židinio srityje padidėja ir mikrografe matomas kaip juoda sritis.

Kai lazerio impulso energija viršija 9,5 μJ, židinio srityje esančios medžiagos lūžio rodiklis sumažėja, mikrografe jis atrodo kaip balta sritis, o baltos srities ilgis didėja didėjant impulso energijai. Poliruodami mėginį, skenuojančiu elektroniniu mikroskopu stebėjome baltos srities morfologines charakteristikas esant 15,4 μJ impulso energijai, kaip parodyta (b) paveiksle. Galima daryti išvadą, kad srityje su sumažėjusiu lūžio rodikliu susidaro maždaug 200 nm skersmens nanopora.

Jonų pluošto ėsdinimo ir in situ skenuojančio elektroninio mikroskopo stebėjimo sistemomis dar kartą patvirtinome nanoporos buvimą (c pav.). Todėl, siekiant sumažinti lazerio sukeltų defektų susidarymą, lazerinio suvirinimo metu vieno impulso energija neturėtų viršyti 9,5 μJ.

3. Aukštos kokybės mikrosuvirinimas tarp lydyto silicio dioksido stiklų naudojant Beselio ultratrumpų impulsų lazerį.

(a) paveiksle parodyta mėginio suvirinimo paviršiaus mikrografija iš viršaus. Matyti, kad lazerinio suvirinimo linija yra vienoda ir lygi. Nors suvirinimo vietoje vis dar yra keletas atsitiktinai pasiskirstiusių mikroporų defektų, apskritai ji yra žymiai geresnė nei Gauso lazerinio suvirinimo linija. Matavimai rodo, kad suvirinimo linijos plotis yra maždaug 18 μm, o atstumas tarp suvirinimo linijų – 40 μm. (b) paveiksle parodyta mėginio suvirinimo linijos mikrografija iš šono.

Matyti, kad po lazerinio apdorojimo tarpas tarp mėginių visiškai išnyksta, o medžiaga šalia sąsajos po terminio lydymosi-aušinimo proceso susilieja į vieną darinį. Matavimai rodo, kad lazerio sukeltos terminio lydymosi srities gylis siekia iki 227 μm. Tai rodo, kad lazerinio suvirinimo metu esant tokiems parametrams, židinio padėties ašinis gylis gali siekti iki 227 μm, tai yra keturis kartus daugiau nei Gauso lazerinio suvirinimo tomis pačiomis sąlygomis.

4. Kur įsigyti Beselio lęšius?

„Wavelength Opto-Electronic“ siūlo aukštos kokybės Beselio lęšius, naudojamus lazerinio apdorojimo srityje. Patraukliausia šios Beselio spindulių optinės sistemos savybė yra galimybė reguliuoti išėjimo spindulio fokusavimo gylį keičiant įėjimo spindulio skersmenį.