Метады праектавання бэлек Беселя

Каб адначасова расплавіць матэрыялы па абодва бакі мяжы падзелу і ўсталяваць высокатрывалую сувязь паміж мікрарэгіёнамі, лазерны фокус павінен быць дакладна сфакусаваны на ўзоры, што накладвае строгія патрабаванні да дакладнасці апрацоўкі зварачнай сістэмы. Акрамя таго, з-за вялікага восевага градыенту інтэнсіўнасці гаўсаўскага пучка пасля факусоўкі тэмпература факальнага поля нераўнамерная, што робіць яго схільным да ўтварэння мікра- і нанапустасцяў у зоне ўздзеяння лазера, што, у сваю чаргу, уплывае на якасць зваркі ўзору.

Тэхналогія прасторавага фармавання святла можа быць выкарыстана для генерацыі беселевых прамянёў нулявога парадку з мэтай аптымізацыі размеркавання інтэнсіўнасці лазернага факальнага поля. Гэты падыход памяншае восевы градыент інтэнсіўнасці і павялічвае фокусную адлегласць, тым самым павялічваючы суадносіны глыбіні да шырыні вобласці цеплавога эфекту, якая фармуецца лазерам. У выніку зніжаюцца патрабаванні да дакладнасці факусоўкі лазернай зварачнай сістэмы, паляпшаючы як якасць, так і эфектыўнасць зваркі.

1. Генерацыя і размеркаванне параметраў недыфракцыйных пучкоў Беселя

У 1987 годзе Дурнін упершыню прапанаваў пучок Беселя нулявога парадку, які дэманструе унікальныя недыфракцыйныя ўласцівасці: размеркаванне інтэнсіўнасці яго папярочнага светлавога поля застаецца нязменным падчас распаўсюджвання, а памер цэнтральнай плямы заўсёды блізкі да дыфракцыйнай мяжы. Акрамя таго, пучкі Беселя таксама праяўляюць уласцівасць самааднаўлення падчас распаўсюджвання. Калі цэнтральная пляма перакрываецца, навакольнае святло будзе збліжацца да цэнтра, каб «адрамантаваць» цэнтральную пляму. Матэматычны выраз для размеркавання папярочнага светлавога поля пучка Беселя нулявога парадку выглядае наступным чынам:

У выразе:

• J0 прадстаўляе функцыю Беселя нулявога парадку.
• r і φ — радыяльныя і вуглавыя каардынатныя элементы адпаведна.
• z — адлегласць распаўсюджвання.
• Kr і Kz — адпаведна папярочныя і падоўжныя элементы хвалевага вектара.

Цэнтральная галоўная пляма пучка Беселя нулявога парадку мае моцную здольнасць утрымліваць выпраменьванне, што дазваляе дасягнуць узроўняў апраменьвання парадку TW/cm² або вышэй, што можа эфектыўна ўзбуджаць нелінейнае паглынанне ў матэрыялах. Што яшчэ больш важна, характарыстыка распаўсюджвання без дыфракцыі пучкоў Беселя нулявога парадку забяспечвае большую глыбіню фокусу і меншы восевы градыент інтэнсіўнасці, тым самым ствараючы амаль аднастайнае тэмпературнае поле і падаўляючы ўтварэнне дэфектаў зваркі.

На наступным малюнку паказана параўнанне фокуснай адлегласці пучкоў Беселя і гаўсаўскіх пучкоў пры аднолькавай магчымасці папярочнага абмежавання. Пучкі Беселя валодаюць значнай глыбінёй фокусу, захоўваючы пры гэтым папярочны дыяметр фокуснай плямы на ўзроўні мікрона.

Існуе некалькі метадаў генерацыі пучкоў Беселя нулявога парадку, і наступныя тры асноўныя метады з'яўляюцца распаўсюджанымі:

Метад кальцавой апертуры: Метад кальцавой апертуры, як вынікае з назвы, прадугледжвае выкарыстанне кальцавой шчыліны для стварэння прамянёў Беселя. Гэта таксама быў першы паспяховы метад генерацыі прамянёў Беселя. Дыяграма ніжэй ілюструе метад кальцавой апертуры для генерацыі прамянёў Беселя. Плоская хваля падае перпендыкулярна на кальцавую шчыліну злева, і адбываецца дыфракцыя.

Пасля гэтага станоўчая лінза выконвае пераўтварэнне Фур'е, у выніку чаго за лінзай утвараецца прамень Беселя. Недыфракцыйная адлегласць распаўсюджвання Zmax звязана з дыяметрам d кальцавой шчыліны і лікавай апертурай лінзы.

Нягледзячы на ​​тое, што гэты метад можа генераваць пучкі Беселя нулявога парадку, эфектыўнасць пераўтварэння энергіі надзвычай нізкая, што ўскладняе яго прымяненне ў галінах лазернай апрацоўкі.

Метад прасторавага мадулятара святла: працэс генерацыі пучка Беселя нулявога парадку па сутнасці з'яўляецца працэсам змены размеркавання фазы пучка. Такім чынам, пучок Беселя нулявога парадку таксама можа быць згенераваны з дапамогай прасторавага мадулятара святла. Прасторавы мадулятар святла - гэта тып оптаэлектроннай прылады мадуляцыі, якая кіруе інтэнсіўнасцю і размеркаваннем фазы светлавога поля з дапамогай электрычных сігналаў. Пучок Беселя нулявога парадку можа быць згенераваны шляхам прымянення фазы канічнай лінзы, як паказана на малюнку ніжэй, да рабочай панэлі прасторавага мадулятара святла.

Метад аксікона: аксікон — адзін з найбольш распаўсюджаных дыфракцыйных элементаў на аснове пасіўнага шкла для генерацыі беселевых пучкоў. Калі гаўсаўскі пучок звычайна падае на аксікон і праходзіць праз яго, яго фазавае размеркаванне мадулюецца, пераўтвараючы яго ў беселеўскі пучок нулявога парадку без страт энергіі, як паказана на малюнку ніжэй.

Дзякуючы нізкай кошту, прастаце выкарыстання і высокаму парогаў пашкоджання лазерам шкляных аксіконаў, а таксама іх выключна высокай эфектыўнасці выкарыстання энергіі, аксіконы з'яўляюцца асноўным выбарам для генерацыі ультракароткіх імпульсных беселевых прамянёў у галіне лазернай апрацоўкі. На малюнку ніжэй паказана схема звужэння і прапускання прамяня беселевага прамяня нулявога парадку. Рэгулюючы павелічэнне і арыентацыю сістэмы візуалізацыі 4f, можна лёгка кантраляваць недыфракцыйную адлегласць распаўсюджвання, вугал паўконуса і вугал нахілу ў кірунку распаўсюджвання беселевага прамяня.

Калі праз сістэму 4f, якая складаецца з лінзы (L1) і аб'ектыва (L2), праходзіць беселеўскі пучок нулявога парадку з вуглом паўконуса Ɵ1 і дыфракцыйнай адлегласцю распаўсюджвання Zmax, геаметрычныя памеры яшчэ больш сціскаюцца. Папярочнае павелічэнне складае прыблізна M=f1/f2=5, а падоўжнае павелічэнне — прыблізна M2=25. Такім чынам, канчатковае выява беселеўскага пучка нулявога парадку ўнутры ўзору можа быць прадстаўлена геаметрычнымі параметрамі:

Геаметрычныя параметры пучка Беселя, атрыманага ўнутры ўзору кварцавага шкла пад рознымі вугламі конусу і павелічэннем сціскання пучка.

Размеркаванне інтэнсіўнасці факусаванага поля пучка Беселя

• r і z: Радыяльная і восевая кампаненты каардынат адпаведна.
• λ: Цэнтральная даўжыня хвалі лазера.
• w: радыус 1/e² падаючага гаўсаўскага пучка.
• P0: Пікавая магутнасць лазера ультракароткіх імпульсаў.
• β1: Кут паўконуса бэлькі Беселя пасля сціскання бэлькі.
• k: вектар хвалі.
• J0: Функцыя Беселя нулявога парадку.

Размеркаванне інтэнсіўнасці пучка Беселя нулявога парадку ўнутры кварцавага шкла: злева — размеркаванне шчыльнасці аптычнай магутнасці ўздоўж напрамку распаўсюджвання і папярочны разрэз, а справа — размеркаванне шчыльнасці аптычнай магутнасці ўздоўж восі і папярочны разрэз.

2. Характарыстыкі фемтасекунднага імпульснага пучка Беселя ў плаўленым кварцавым шкле

На малюнку (а) паказаны мікрафатаграфіі ўзаемадзеяння паміж фемтасекунднымі імпульснымі пучкамі Беселя і плаўленым кварцавым шклом пры розных энергіях імпульсаў. Шырыня лазернага імпульсу фіксаваная на ўзроўні 220 фс, а вугал паўконуса пучка Беселя ўнутры ўзору складае 12,4°. Можна заўважыць, што вобласць, якая знаходзіцца пад уздзеяннем лазера, мае тыповую аднамерную лінейную структуру. Калі энергія лазернага імпульсу меншая за 9,5 мкДж, паказчык праламлення матэрыялу ў факальнай вобласці павялічваецца, і на мікрафатаграфіі ён выглядае як чорная вобласць.

Калі энергія лазернага імпульсу перавышае 9,5 мкДж, паказчык праламлення матэрыялу ў факальнай вобласці памяншаецца, і на мікрафотаздымку ён выглядае як белая вобласць, а даўжыня белай вобласці павялічваецца з павелічэннем энергіі імпульсу. Паліруючы ўзор, мы назіралі марфалагічныя характарыстыкі белай вобласці пры энергіі імпульсу 15,4 мкДж пад сканіруючым электронным мікраскопам, як паказана на малюнку (b). Можна зрабіць выснову, што ў вобласці са зніжаным паказчыкам праламлення ўтвараецца нанапора дыяметрам прыблізна 200 нм.

З дапамогай іённа-прамянёвага травлення і сістэм назірання in situ з дапамогай сканіруючага электроннага мікраскопа мы дадаткова пацвердзілі наяўнасць нанапор (малюнак c). Такім чынам, каб мінімізаваць узнікненне лазерна-індукаваных дэфектаў, энергія аднаго імпульсу не павінна перавышаць 9,5 мкДж падчас лазернай зваркі.

3. Дасягненне высакаякаснай мікразваркі паміж плаўленымі кварцавымі шкламі з выкарыстаннем ультракароткага імпульснага лазера Беселя.

На малюнку (а) паказаны мікрафатаграфія паверхні зваркі ўзору, зробленая зверху. Відаць, што лінія лазернага зварвання аднастайная і гладкая. Нягледзячы на ​​тое, што ў зоне зваркі ўсё яшчэ ёсць некалькі выпадкова размеркаваных мікрапор, у цэлым яна значна лепшая за лінію лазернага зварвання па Гаўсу. Вымярэнні паказваюць, што шырыня лініі зваркі складае прыблізна 18 мкм, а адлегласць паміж лініямі зваркі — 40 мкм. На малюнку (б) паказаны мікрафатаграфія лініі зваркі ўзору, зробленая збоку.

Бачна, што пасля лазернай апрацоўкі зазор паміж узорамі цалкам знікае, а матэрыял паблізу мяжы падзелу пасля працэсу тэрмічнага плаўлення-астуджэння зліваецца ў адзінае цэлае. Вымярэнні паказваюць, што глыбіня лазерна-індукаванай зоны тэрмічнага плаўлення дасягае 227 мкм. Гэта сведчыць аб тым, што падчас лазернай зваркі з такімі параметрамі восевая глыбіня факуснага становішча можа дасягаць 227 мкм, што ў чатыры разы перавышае паказчыкі гаўсавай лазернай зваркі пры тых жа ўмовах.

4. Дзе купіць лінзы Беселя?

Кампанія Wavelength Opto-Electronic прапануе высакаякасныя лінзы Беселя, якія выкарыстоўваюцца ў лазернай апрацоўцы. Найбольш прывабнай асаблівасцю гэтай аптычнай сістэмы з прамянём Беселя з'яўляецца магчымасць рэгулявання глыбіні факусоўкі выходнага прамяня шляхам рэгулявання памеру дыяметра ўваходнага прамяня.