Besela siju projektēšanas metodes

Lai vienlaikus izkausētu materiālus abās saskarnes pusēs un izveidotu augstas stiprības mikrorajona saiti, lāzera fokusa punktam jābūt precīzi fokusētam uz paraugu, kas izvirza stingras prasības metināšanas sistēmas apstrādes precizitātei. Turklāt, ņemot vērā Gausa stara lielo aksiālo intensitātes gradientu pēc fokusēšanas, fokusa lauka temperatūra ir nevienmērīga, padarot to pakļautu mikro- un nano-tukšumu defektu veidošanās riskam lāzera skartajā zonā, kas savukārt ietekmē parauga metināšanas kvalitāti.

Telpiskās gaismas veidošanas tehnoloģiju var izmantot, lai ģenerētu nulles kārtas Besela starus, tādējādi optimizējot lāzera fokusa lauka intensitātes sadalījumu. Šī pieeja samazina aksiālo intensitātes gradientu un pagarina fokusa attālumu, tādējādi palielinot lāzera veidotā termiskā efekta apgabala dziļuma un platuma attiecību. Rezultātā tiek samazinātas lāzera metināšanas sistēmas fokusēšanas precizitātes prasības, uzlabojot gan metināšanas kvalitāti, gan efektivitāti.

1. Nedifraktējošu Besela siju ģenerēšana un parametru projektēšana

1987. gadā Durnins pirmo reizi ierosināja nulles kārtas Besela staru kūli, kam piemīt unikālas nedifrakcijas īpašības: tā šķērsvirziena gaismas lauka intensitātes sadalījums izplatīšanās laikā nemainās, un centrālā punkta izmērs vienmēr ir tuvu difrakcijas robežai. Turklāt Besela stariem izplatīšanās laikā piemīt arī pašatjaunošanās īpašība. Kad centrālais punkts ir aizsegts, apkārtējā gaisma konverģēs uz centru, lai "salabotu" centrālo punktu. Nulles kārtas Besela stara šķērsvirziena gaismas lauka sadalījuma matemātiskā izteiksme ir:

Izteiksmē:

• J0 apzīmē nulles kārtas Besela funkciju.
• r un φ ir attiecīgi radiālie un leņķiskie koordinātu elementi.
• z ir izplatīšanās attālums.
• Kr un Kz ir attiecīgi šķērsvirziena un garenvirziena viļņvektora elementi.

Nulles kārtas Besela stara centrālajam galvenajam punktam ir spēcīga ierobežošanas spēja, kas ļauj sasniegt apstarošanas līmeņus TW/cm² vai augstākus, kas var efektīvi ierosināt nelineāru absorbciju materiālos. Vēl svarīgāk ir tas, ka nulles kārtas Besela staru nedifrakcijas izplatīšanās īpašība nodrošina lielāku fokusa dziļumu un mazāku aksiālo intensitātes gradientu, tādējādi radot gandrīz vienmērīgu temperatūras lauku un nomācot metināšanas defektu veidošanos.

Šajā attēlā ir parādīts Besela staru un Gausa staru fokusa attālumu salīdzinājums ar vienādu šķērsvirziena ierobežošanas spēju. Besela stariem ir ievērojams fokusa dziļums, vienlaikus saglabājot šķērsvirziena mikronu līmeņa fokusa punkta diametru.

Ir vairākas nulles kārtas Besela staru ģenerēšanas metodes, un izplatītākās ir šādas trīs galvenās metodes:

Gredzenveida apertūras metode: Gredzenveida apertūras metode, kā norāda nosaukums, ietver gredzenveida spraugas izmantošanu Besela staru kūļu radīšanai. Šī bija arī pirmā veiksmīgā Besela staru kūļu radīšanas metode. Zemāk redzamā diagramma ilustrē gredzenveida apertūras metodi Besela staru kūļu radīšanai. Uz gredzenveida spraugas no kreisās puses perpendikulāri krīt plaknes vilnis, un notiek difrakcija.

Pēc tam pozitīva lēca veic Furjē transformāciju, kā rezultātā aiz lēcas veidojas Besela stars. Nedifrakcējošais izplatīšanās attālums Zmax ir saistīts ar gredzenveida spraugas diametru d un lēcas skaitlisko apertūru.

Lai gan šī metode var ģenerēt nulles kārtas Besela starus, enerģijas pārveidošanas efektivitāte ir ārkārtīgi zema, tāpēc to ir grūti pielietot lāzera apstrādes laukos.

Telpiskā gaismas modulatora metode: Nulles kārtas Besela stara ģenerēšanas process būtībā ir stara fāzes sadalījuma mainīšanas process. Tāpēc nulles kārtas Besela staru kūli var ģenerēt arī, izmantojot telpisko gaismas modulatoru. Telpiskais gaismas modulators ir optoelektroniskas modulācijas ierīces veids, kas kontrolē gaismas lauka intensitāti un fāzes sadalījumu, izmantojot elektriskos signālus. Nulles kārtas Besela staru kūli var ģenerēt, pielietojot koniskās lēcas fāzi, kā parādīts attēlā zemāk, telpiskā gaismas modulatora darba panelim.

Aksikona metode: Aksikons ir viens no visbiežāk izmantotajiem pasīvajiem difrakcijas elementiem uz stikla bāzes Besela staru kūļu ģenerēšanai. Kad Gausa stars parasti krīt uz aksikona un iet caur to, tā fāzes sadalījums tiek modulēts, pārveidojot to par nulles kārtas Besela staru kūli bez enerģijas zudumiem, kā parādīts attēlā zemāk.

Stikla aksikonu zemo izmaksu, lietošanas ērtuma un augstā lāzera bojājumu sliekšņa, kā arī to ārkārtīgi augstās enerģijas izmantošanas efektivitātes dēļ aksikoni ir galvenā izvēle īpaši īsu impulsu Besela staru ģenerēšanai lāzerapstrādes jomā. Zemāk redzamajā attēlā parādīta nulles kārtas Besela stara stara sašaurināšanas un caurlaidības shēma. Pielāgojot 4f attēlveidošanas sistēmas palielinājumu un orientāciju, var viegli kontrolēt nedifrakcijas izplatīšanās attālumu, puskonusa leņķi un slīpuma leņķi Besela stara izplatīšanās virzienā.

Kad nulles kārtas Besela stars ar puskonusa leņķi Ɵ1 un difrakcijas brīvu izplatīšanās attālumu Zmax iziet cauri 4f sistēmai, kas sastāv no lēcas (L1) un objektīva lēcas (L2), ģeometriskie izmēri tiks vēl vairāk saspiesti. Sānu palielinājums ir aptuveni M=f1/f2=5, un gareniskais palielinājums ir aptuveni M2=25. Tādējādi nulles kārtas Besela stara galīgo attēlojumu paraugā var attēlot ar ģeometriskiem parametriem:

Besela stara ģeometriskie parametri, kas attēloti kvarca stikla paraugā dažādos konusa leņķos un stara saspiešanas palielinājumos.

Besela stara fokusa lauka intensitātes sadalījums

• r un z: attiecīgi radiālās un aksiālās koordinātu komponentes.
• λ: lāzera centrālais viļņa garums.
• w: 1/e² krītošā Gausa stara rādiuss.
• P0: Ultraīso impulsu lāzera maksimālā jauda.
• β1: Besela stara puskonusa leņķis pēc stara saspiešanas.
• k: Viļņu vektors.
• J0: Nulles kārtas Besela funkcija.

Nulles kārtas Besela stara intensitātes sadalījums kvarca stiklā: kreisajā pusē ir optiskās jaudas blīvuma sadalījums pa izplatīšanās virzienu un šķērsgriezuma skats, bet labajā pusē ir optiskās jaudas blīvuma sadalījums pa asi un šķērsgriezuma skats.

2. Femtosekundes impulsa Besela stara raksturojums kausētā kvarca stiklā

(a) attēlā redzami femtosekundes impulsa Besela staru un kausēta silīcija stikla mijiedarbības mikroattēli pie dažādām impulsa enerģijām. Lāzera impulsa platums ir fiksēts 220 fs, un Besela stara puskonusa leņķis parauga iekšpusē ir 12,4°. Var novērot, ka lāzera ietekmētajam apgabalam ir tipiska viendimensiju lineāra struktūra. Kad lāzera impulsa enerģija ir mazāka par 9,5 μJ, materiāla refrakcijas indekss fokusa apgabalā palielinās, mikroattēlā parādoties kā melns apgabals.

Kad lāzera impulsa enerģija pārsniedz 9,5 μJ, materiāla laušanas koeficients fokusa apgabalā samazinās, mikroattēlā parādoties kā balts apgabals, un baltā apgabala garums palielinās, palielinoties impulsa enerģijai. Pulējot paraugu, mēs novērojām baltā apgabala morfoloģiskās īpašības pie impulsa enerģijas 15,4 μJ skenējošā elektronu mikroskopā, kā parādīts (b) attēlā. Var secināt, ka apgabalā ar samazinātu laušanas koeficientu veidojas nanopora ar aptuveni 200 nm diametru.

Ar jonu staru kodināšanas un in situ skenējošā elektronmikroskopa novērošanas sistēmām mēs vēl vairāk apstiprinājām nanoporu klātbūtni (c attēls). Tādēļ, lai līdz minimumam samazinātu lāzera izraisītu defektu rašanos, viena impulsa enerģija lāzermetināšanas laikā nedrīkst pārsniegt 9,5 μJ.

3. Augstas kvalitātes mikrometināšanas panākšana starp kausētiem kvarca stikliem, izmantojot Besela īpaši īso impulsu lāzeru.

(a) attēlā redzams parauga metināšanas virsmas mikroattēls no augšas. Var redzēt, ka lāzera metināšanas līnija ir vienmērīga un gluda. Lai gan metinātajā zonā joprojām ir daži nejauši izkliedēti mikroporu defekti, kopumā tā ir ievērojami labāka nekā Gausa lāzera metināšanas līnija. Mērījumi liecina, ka metināšanas līnijas platums ir aptuveni 18 μm, un atstarpe starp metināšanas līnijām ir 40 μm. (b) attēlā redzams parauga metināšanas līnijas mikroattēls no sāniem.

Var redzēt, ka pēc lāzera apstrādes atstarpe starp paraugiem pilnībā izzūd, un materiāls saskarnes tuvumā pēc termiskās kušanas-atdzesēšanas procesa ir saplūdis vienā veselumā. Mērījumi liecina, ka lāzera inducētās termiskās kušanas apgabala dziļums sasniedz pat 227 μm. Tas norāda, ka lāzera metināšanas laikā ar šiem parametriem fokusa pozīcijas aksiālais dziļums var sasniegt pat 227 μm, kas ir četras reizes vairāk nekā Gausa lāzera metināšanā tādos pašos apstākļos.

4. Kur iegādāties Besela lēcas?

Uzņēmums Wavelength Opto-Electronic piedāvā augstas kvalitātes Besela lēcas, ko izmanto lāzera apstrādes lietojumprogrammās. Šīs Besela staru optiskās sistēmas pievilcīgākā iezīme ir izejas staru fokusa dziļuma regulēšanas iespēja, pielāgojot ieejas staru diametru.