Για την ταυτόχρονη τήξη των υλικών και στις δύο πλευρές της διεπαφής και τη δημιουργία ενός δεσμού μικροπεριοχής υψηλής αντοχής, το εστιακό σημείο του λέιζερ πρέπει να εστιάζεται με ακρίβεια στο δείγμα, γεγονός που επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις στην ακρίβεια επεξεργασίας του συστήματος συγκόλλησης. Επιπλέον, λόγω της μεγάλης αξονικής κλίσης έντασης της γκαουσιανής δέσμης μετά την εστίαση, η θερμοκρασία του εστιακού πεδίου είναι ανομοιόμορφη, καθιστώντας την επιρρεπή στο σχηματισμό μικρο- και νανο-κενών ελαττωμάτων στην περιοχή που επηρεάζεται από το λέιζερ, γεγονός που με τη σειρά του επηρεάζει την ποιότητα συγκόλλησης του δείγματος.
Η τεχνολογία διαμόρφωσης χωρικού φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία δεσμών Bessel μηδενικής τάξης για τη βελτιστοποίηση της κατανομής έντασης του εστιακού πεδίου του λέιζερ. Αυτή η προσέγγιση μειώνει την αξονική κλίση έντασης και επεκτείνει το εστιακό μήκος, αυξάνοντας έτσι την αναλογία βάθους προς πλάτος της περιοχής θερμικής επίδρασης που σχηματίζεται από το λέιζερ. Ως αποτέλεσμα, μειώνει τις απαιτήσεις ακρίβειας εστίασης του συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ, βελτιώνοντας τόσο την ποιότητα όσο και την αποτελεσματικότητα της συγκόλλησης.
1. Η Δημιουργία και ο Σχεδιασμός Παραμέτρων Μη Περίθλασης Δοκών Bessel
Το 1987, ο Durnin πρότεινε για πρώτη φορά τη δέσμη Bessel μηδενικής τάξης, η οποία παρουσιάζει μοναδικές μη περίθλασης ιδιότητες: η εγκάρσια κατανομή έντασης του φωτεινού πεδίου της παραμένει αμετάβλητη κατά τη διάδοση και το μέγεθος του κεντρικού σημείου είναι πάντα κοντά στο όριο περίθλασης. Επιπλέον, οι δέσμες Bessel εμφανίζουν επίσης μια ιδιότητα αυτοΐασης κατά τη διάδοση. Όταν το κεντρικό σημείο παρεμποδίζεται, το περιβάλλον φως θα συγκλίνει προς το κέντρο για να «επισκευάσει» το κεντρικό σημείο. Η μαθηματική έκφραση για την εγκάρσια κατανομή φωτεινού πεδίου μιας δέσμης Bessel μηδενικής τάξης είναι:
Στην έκφραση:
- Το J0 αντιπροσωπεύει τη συνάρτηση Bessel μηδενικής τάξης.
- Τα r και φ είναι τα στοιχεία ακτινικής και γωνιακής συντεταγμένης, αντίστοιχα.
- z είναι η απόσταση διάδοσης.
- Τα Kr και Kz είναι τα εγκάρσια και διαμήκη στοιχεία κυματοδηγού, αντίστοιχα.
Το κεντρικό κύριο σημείο μιας δέσμης Bessel μηδενικής τάξης έχει ισχυρή ικανότητα περιορισμού, επιτρέποντας επίπεδα ακτινοβολίας της τάξης του TW/cm² ή υψηλότερα, τα οποία μπορούν αποτελεσματικά να διεγείρουν μη γραμμική απορρόφηση σε υλικά. Το πιο σημαντικό είναι ότι το χαρακτηριστικό μη περίθλασης διάδοσης των δεσμών Bessel μηδενικής τάξης παρέχει μεγαλύτερο βάθος εστίασης και μικρότερη αξονική κλίση έντασης, δημιουργώντας έτσι ένα σχεδόν ομοιόμορφο πεδίο θερμοκρασίας και καταστέλλοντας τον σχηματισμό ελαττωμάτων συγκόλλησης.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια σύγκριση του εστιακού μήκους των δεσμών Bessel και των δεσμών Gauss υπό την ίδια ικανότητα εγκάρσιας περιορισμού. Οι δέσμες Bessel διαθέτουν σημαντικό βάθος εστίασης διατηρώντας παράλληλα μια εγκάρσια διάμετρο εστιακού σημείου σε επίπεδο μικρομέτρου.
Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι για τη δημιουργία δοκών Bessel μηδενικής τάξης και οι ακόλουθες τρεις κύριες μέθοδοι είναι συνηθισμένες:
Μέθοδος Δακτυλιοειδούς Ανοίγματος: Η μέθοδος δακτυλιοειδούς ανοίγματος, όπως υποδηλώνει το όνομα, περιλαμβάνει τη χρήση μιας δακτυλιοειδούς σχισμής για την παραγωγή δεσμών Bessel. Αυτή ήταν επίσης η πρώτη επιτυχημένη μέθοδος για τη δημιουργία δεσμών Bessel. Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει τη μέθοδο δακτυλιοειδούς ανοίγματος για τη δημιουργία δεσμών Bessel. Ένα επίπεδο κύμα προσπίπτει κάθετα στη δακτυλιοειδή σχισμή από τα αριστερά και συμβαίνει περίθλαση.
Στη συνέχεια, ένας θετικός φακός εκτελεί έναν μετασχηματισμό Fourier, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό μιας δέσμης Bessel πίσω από τον φακό. Η μη περιθλαστική απόσταση διάδοσης Zmax σχετίζεται με τη διάμετρο d της δακτυλιοειδούς σχισμής και το αριθμητικό άνοιγμα του φακού.
Αν και αυτή η μέθοδος μπορεί να παράγει δέσμες Bessel μηδενικής τάξης, η απόδοση μετατροπής ενέργειας είναι εξαιρετικά χαμηλή, γεγονός που καθιστά δύσκολη την εφαρμογή της σε πεδία επεξεργασίας λέιζερ.
Μέθοδος Χωρικού Διαμορφωτή Φωτός: Η διαδικασία δημιουργίας μιας δέσμης Bessel μηδενικής τάξης είναι ουσιαστικά μια διαδικασία αλλαγής της κατανομής φάσης της δέσμης. Επομένως, μια δέσμη Bessel μηδενικής τάξης μπορεί επίσης να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας έναν χωρικό διαμορφωτή φωτός. Ένας χωρικός διαμορφωτής φωτός είναι ένας τύπος οπτοηλεκτρονικής συσκευής διαμόρφωσης που ελέγχει την ένταση και την κατανομή φάσης του φωτεινού πεδίου μέσω ηλεκτρικών σημάτων. Μια δέσμη Bessel μηδενικής τάξης μπορεί να δημιουργηθεί εφαρμόζοντας τη φάση του κωνικού φακού, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, στον πίνακα εργασίας του χωρικού διαμορφωτή φωτός.
Μέθοδος Axicon: Ένα axicon είναι ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα παθητικά στοιχεία περίθλασης με βάση το γυαλί για την παραγωγή δεσμών Bessel. Όταν μια Gaussian δέσμη προσπίπτει κανονικά και διέρχεται από ένα axicon, η κατανομή φάσης της διαμορφώνεται, μετατρέποντάς την σε δέσμη Bessel μηδενικής τάξης χωρίς καμία απώλεια ενέργειας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Λόγω του χαμηλού κόστους, της ευκολίας χρήσης και του υψηλού ορίου ζημιάς από λέιζερ των γυάλινων αξονικών, καθώς και της εξαιρετικά υψηλής απόδοσης αξιοποίησης ενέργειας, τα αξονικά αποτελούν την κύρια επιλογή για την παραγωγή υπερβραχέων παλμικών δεσμών Bessel στον τομέα της επεξεργασίας λέιζερ. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα της στένωσης και της μετάδοσης της δέσμης μιας δέσμης Bessel μηδενικής τάξης. Ρυθμίζοντας τη μεγέθυνση και τον προσανατολισμό του συστήματος απεικόνισης 4f, η μη περιθλαστική απόσταση διάδοσης, η ημικωνική γωνία και η γωνία κλίσης στην κατεύθυνση διάδοσης της δέσμης Bessel μπορούν εύκολα να ελεγχθούν.
Όταν μια δέσμη Bessel μηδενικής τάξης με ημικωνική γωνία Ɵ1 και απόσταση διάδοσης χωρίς περίθλαση Zmax διέρχεται από ένα σύστημα 4f που αποτελείται από έναν φακό (L1) και έναν αντικειμενικό φακό (L2), οι γεωμετρικές διαστάσεις θα συμπιεστούν περαιτέρω. Η πλευρική μεγέθυνση είναι περίπου M=f1/f2=5 και η διαμήκης μεγέθυνση είναι περίπου M2=25. Έτσι, η τελική απεικόνιση της δέσμης Bessel μηδενικής τάξης μέσα στο δείγμα μπορεί να αναπαρασταθεί από τις γεωμετρικές παραμέτρους:
Γεωμετρικές παράμετροι της δέσμης Bessel που απεικονίζεται μέσα σε ένα δείγμα γυαλιού χαλαζία υπό διαφορετικές γωνίες κώνου και μεγεθύνσεις συμπίεσης δέσμης.
| αξονική γωνία κορυφής α (°) | Ακτίνα δέσμης εισόδου d(mm) | (εμμ) | M=f1/f2 | Ɵ2 (°) | Zmax2 | |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 20 | 3.1 | 3504 | 10.04 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 30 | 4.7 | 1555 | 6.7 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 40 | 6.2 | 873 | 5.02 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 50 | 7.8 | 558 | 4.02 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 20 | 6.2 | 1747 | 5.02 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 30 | 9.3 | 772 | 3.36 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 40 | 12.4 | 432 | 2.52 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 50 | 15,5 | 274 | 2.04 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 20 | 15,5 | 684 | 2.04 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 30 | 23.3 | 294 | 1,38 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 40 | 38,83 | 94,4 | 0,86 |
Κατανομή έντασης πεδίου εστίασης μιας δέσμης Bessel
- r και z: Ακτινικές και αξονικές συνιστώσες συντεταγμένων, αντίστοιχα.
- λ: Κεντρικό μήκος κύματος του λέιζερ.
- w: ακτίνα 1/e² της προσπίπτουσας Γκαουσιανής δέσμης.
- P0: Μέγιστη ισχύς του υπερβραχέος παλμικού λέιζερ.
- β1: Ημικωνική γωνία της δοκού Bessel μετά τη συμπίεση της δοκού.
- k: Διάνυσμα κύματος.
- J0: Συνάρτηση Bessel μηδενικής τάξης.
Κατανομή έντασης της δέσμης Bessel μηδενικής τάξης μέσα σε γυαλί χαλαζία: Στα αριστερά είναι η κατανομή οπτικής πυκνότητας ισχύος κατά μήκος της κατεύθυνσης διάδοσης και η διατομή, και στα δεξιά είναι η κατανομή οπτικής πυκνότητας ισχύος κατά μήκος του άξονα και η διατομή.
2. Χαρακτηριστικά της δέσμης Bessel Femtosecond Pulse σε λιωμένο πυριτικό γυαλί
Το Σχήμα (α) δείχνει τις μικρογραφίες της αλληλεπίδρασης μεταξύ δεσμών Bessel φεμτοδευτερολέπτων παλμού και τηγμένου γυαλιού πυριτίου σε διαφορετικές ενέργειες παλμού. Το πλάτος παλμού λέιζερ είναι σταθερό στα 220 fs και η ημικωνική γωνία της δέσμης Bessel μέσα στο δείγμα είναι 12,4°. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι η περιοχή που επηρεάζεται από το λέιζερ παρουσιάζει μια τυπική μονοδιάστατη γραμμική δομή. Όταν η ενέργεια παλμού λέιζερ είναι μικρότερη από 9,5 μJ, ο δείκτης διάθλασης του υλικού στην εστιακή περιοχή αυξάνεται, εμφανιζόμενος ως μαύρη περιοχή στο μικρογραφία.
Όταν η ενέργεια παλμού λέιζερ υπερβαίνει τα 9,5 μJ, ο δείκτης διάθλασης του υλικού στην εστιακή περιοχή μειώνεται, εμφανιζόμενος ως λευκή περιοχή στη μικρογραφία, και το μήκος της λευκής περιοχής αυξάνεται με την αύξηση της ενέργειας παλμού. Γυαλίζοντας το δείγμα, παρατηρήσαμε τα μορφολογικά χαρακτηριστικά της λευκής περιοχής σε ενέργεια παλμού 15,4 μJ υπό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα (β). Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι ένας νανοπόρος με διάμετρο περίπου 200 nm σχηματίζεται στην περιοχή με μειωμένο δείκτη διάθλασης.
Μέσω συστημάτων χάραξης με δέσμη ιόντων και συστημάτων παρατήρησης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης in situ, επιβεβαιώσαμε περαιτέρω την παρουσία του νανοπόρου (Σχήμα γ). Επομένως, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η δημιουργία ελαττωμάτων που προκαλούνται από το λέιζερ, η ενέργεια ενός παλμού δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 9,5 μJ κατά τη συγκόλληση με λέιζερ.
3. Επίτευξη μικροσυγκόλλησης υψηλής ποιότητας μεταξύ συντηγμένων γυαλιών πυριτίου χρησιμοποιώντας λέιζερ Bessel Ultrashort Pulse.
Το Σχήμα (α) δείχνει μια κάτοψη μικρογραφίας της επιφάνειας συγκόλλησης του δείγματος. Μπορεί να φανεί ότι η γραμμή συγκόλλησης με λέιζερ είναι ομοιόμορφη και λεία. Παρόλο που εξακολουθούν να υπάρχουν μερικά τυχαία κατανεμημένα ελαττώματα μικροπόρων στην περιοχή συγκόλλησης, συνολικά, είναι σημαντικά καλύτερη από τη γραμμή συγκόλλησης με Gauss λέιζερ. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι το πλάτος της γραμμής συγκόλλησης είναι περίπου 18 μm και η απόσταση μεταξύ των γραμμών συγκόλλησης είναι 40 μm. Το Σχήμα (β) δείχνει μια πλάγια μικρογραφία της γραμμής συγκόλλησης του δείγματος.
Μπορεί να φανεί ότι το κενό μεταξύ των δειγμάτων εξαφανίζεται εντελώς μετά την επεξεργασία με λέιζερ και το υλικό κοντά στη διεπαφή έχει συγχωνευθεί σε μία ενιαία οντότητα μετά την υποβολή του στη διαδικασία θερμικής τήξης-ψύξης. Οι μετρήσεις αποκαλύπτουν ότι το βάθος της περιοχής θερμικής τήξης που προκαλείται από λέιζερ φτάνει τα 227 μm. Αυτό δείχνει ότι κατά τη συγκόλληση με λέιζερ με αυτές τις παραμέτρους, το αξονικό βάθος της εστιακής θέσης μπορεί να φτάσει τα 227 μm, το οποίο είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερο από αυτό της συγκόλλησης με Gauss λέιζερ υπό τις ίδιες συνθήκες.
4. Πού μπορώ να αγοράσω φακούς Bessel;
Η Wavelength Opto-Electronic προσφέρει φακούς Bessel υψηλής ποιότητας που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές επεξεργασίας λέιζερ. Η δυνατότητα ρύθμισης του βάθους εστίασης της δέσμης εξόδου ρυθμίζοντας το μέγεθος της διαμέτρου της δέσμης εισόδου είναι το πιο ελκυστικό χαρακτηριστικό αυτού του οπτικού συστήματος δέσμης Bessel.
| Αριθμός εξαρτήματος | Μήκος κύματος (nm) | Απόσταση εργασίας (mm) | Μέγιστη διάμετρος δέσμης εισόδου (mm) | Σχεδιασμένο βάθος εστίασης (mm) | Συνολικό μήκος (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| BESL-355-D10-T1 | 355 | 15,50 | 10 | 1.0 | 377,00 |
| BESL-532-10-D10 | 532 | 11,86 | 10 | 1.5 | 202,84 |
| BESL-1064-D10-T2 | 1064 | 10,80 | 10 | 2.0 | 238,00 |
| BESL-1064-D20-T12 | 1064 | 15,00 | 20 | 12.0 | 315,05 |
Ώρα δημοσίευσης: 10 Οκτωβρίου 2024