Mga Paraan ng Disenyo ng Bessel Beam

Upang sabay na matunaw ang mga materyales sa magkabilang panig ng interface at makapagtatag ng isang high-strength micro-region bond, ang laser focal point ay dapat na tumpak na nakatutok sa sample, na nagpapataw ng mahigpit na mga kinakailangan sa katumpakan ng pagproseso ng sistema ng hinang. Bukod pa rito, dahil sa malaking axial intensity gradient ng Gaussian beam pagkatapos ng pag-focus, ang temperatura ng focal field ay hindi pantay, na ginagawang madali itong bumuo ng mga micro- at nano-void na depekto sa rehiyon na apektado ng laser, na siya namang nakakaapekto sa kalidad ng hinang ng sample.

Maaaring gamitin ang teknolohiyang spatial light shaping upang makabuo ng zero-order Bessel beams upang ma-optimize ang intensity distribution ng laser focal field. Binabawasan ng pamamaraang ito ang axial intensity gradient at pinalalawak ang focal length, sa gayon ay pinapataas ang depth-to-width ratio ng thermal effect region na nabuo ng laser. Bilang resulta, binabawasan nito ang mga kinakailangan sa focusing accuracy ng laser welding system, na nagpapabuti sa kalidad at kahusayan ng welding.

1. Ang Disenyo ng Pagbuo at Parameter ng mga Non-Diffracting Beams

Noong 1987, unang iminungkahi ni Durnin ang zero-order Bessel beam, na nagpapakita ng mga natatanging katangiang hindi nagdidiffracting: ang transverse light field intensity distribution nito ay nananatiling hindi nagbabago habang nagpapalaganap, at ang laki ng central spot ay palaging malapit sa diffraction limit. Bukod pa rito, ang Bessel beams ay nagpapakita rin ng self-healing properties habang nagpapalaganap. Kapag ang central spot ay nahaharangan, ang nakapalibot na liwanag ay magtatagpo patungo sa gitna upang "ayusin" ang central spot. Ang mathematical expression para sa transverse light field distribution ng isang zero-order Bessel beam ay:

Sa ekspresyon:

• Ang J0 ay kumakatawan sa zero-order na Bessel function.
• Ang r at φ ay ang mga elemento ng koordinasyong radial at angular, ayon sa pagkakabanggit.
• Ang z ay ang distansya ng paglaganap.
• Ang Kr at Kz ay ang mga elementong transverse at longitudinal wavevector, ayon sa pagkakabanggit.

Ang gitnang pangunahing puwesto ng isang zero-order Bessel beam ay may malakas na kakayahang magkulong, na nagpapahintulot sa mga antas ng irradiation na nasa order na TW/cm² o mas mataas pa, na maaaring epektibong magpasigla ng nonlinear absorption sa mga materyales. Higit sa lahat, ang katangian ng non-diffracting propagation ng zero-order Bessel beams ay nagbibigay ng mas malaking lalim ng pokus at mas maliit na axial intensity gradient, kaya lumilikha ng halos pare-parehong temperature field at pinipigilan ang pagbuo ng mga depekto sa welding.

Ang sumusunod na pigura ay nagpapakita ng paghahambing ng focal length ng mga Bessel beam at Gaussian beam sa ilalim ng parehong transverse confinement capability. Ang mga Bessel beam ay nagtataglay ng malaking lalim ng focus habang pinapanatili ang transverse micron-level focal spot diameter.

Mayroong ilang mga paraan ng pagbuo ng zero-order Bessel beams, at ang sumusunod na tatlong pangunahing paraan ay karaniwan:

Paraan ng Anular Aperture: Ang paraan ng anular aperture, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ay kinabibilangan ng paggamit ng isang anular slit upang makagawa ng mga Bessel beam. Ito rin ang unang matagumpay na paraan para sa pagbuo ng mga Bessel beam. Inilalarawan ng diagram sa ibaba ang paraan ng anular aperture para sa pagbuo ng mga Bessel beam. Ang isang plane wave ay nakadikit nang patayo sa anular slit mula sa kaliwa at nagaganap ang diffraction.

Pagkatapos, ang isang positibong lente ay nagsasagawa ng Fourier transform, na nagreresulta sa pagbuo ng isang Bessel beam sa likod ng lente. Ang non-diffracting propagation distance na Zmax ay nauugnay sa diyametro d ng annular slit at sa numerical aperture ng lente.

Bagama't ang pamamaraang ito ay maaaring makabuo ng zero-order Bessel beams, ang kahusayan sa conversion ng enerhiya ay napakababa, na nagpapahirap sa pag-apply sa mga laser processing field.

Paraan ng Spatial Light Modulator: Ang proseso ng pagbuo ng isang zero-order Bessel beam ay mahalagang proseso ng pagbabago sa phase distribution ng beam. Samakatuwid, ang isang zero-order Bessel beam ay maaari ding mabuo gamit ang isang spatial light modulator. Ang spatial light modulator ay isang uri ng optoelectronic modulation device na kumokontrol sa intensity at phase distribution ng light field sa pamamagitan ng mga electrical signal. Ang isang zero-order Bessel beam ay maaaring mabuo sa pamamagitan ng paglalapat ng conical lens phase, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba, sa working panel ng spatial light modulator.

Paraan ng Axicon: Ang axicon ay isa sa mga pinakakaraniwang ginagamit na passive glass-based diffractive elements para sa pagbuo ng Bessel beams. Kapag ang isang Gaussian beam ay karaniwang nakadikit at dumadaan sa isang axicon, ang phase distribution nito ay binabago, na ginagawang isang zero-order Bessel beam nang walang anumang pagkawala ng enerhiya, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba.

Dahil sa mababang gastos, kadalian ng paggamit, at mataas na laser damage threshold ng mga glass axicon, pati na rin ang kanilang napakataas na kahusayan sa paggamit ng enerhiya, ang mga axicon ang pangunahing pagpipilian para sa pagbuo ng ultrashort pulse Bessel beams sa larangan ng laser processing. Ang pigura sa ibaba ay nagpapakita ng isang eskematiko ng beam narrowing at transmission ng isang zero-order Bessel beam. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng magnification at oryentasyon ng 4f imaging system, ang non-diffractive propagation distance, ang half-cone angle, at ang tilt angle sa direksyon ng propagation ng Bessel beam ay madaling makontrol.

Kapag ang isang zero-order Bessel beam na may half-cone angle na Ɵ1 at diffraction-free propagation distance na Zmax ay dumaan sa isang 4f system na binubuo ng isang lens (L1) at isang objective lens (L2), ang mga geometric dimensions ay lalong pipigain. Ang lateral magnification ay humigit-kumulang M=f1/f2=5, at ang longitudinal magnification ay humigit-kumulang M2=25. Kaya, ang pangwakas na imaging ng zero-order Bessel beam sa loob ng sample ay maaaring katawanin ng mga geometric parameter:

Mga heometrikong parametro ng Bessel beam na nakunan ng larawan sa loob ng isang sample ng quartz glass sa ilalim ng iba't ibang anggulo ng kono at mga magnipikasyon ng beam compression.

Distribusyon ng intensidad ng focus field ng isang Bessel beam

• r at z: Mga bahagi ng radial at axial coordinate, ayon sa pagkakabanggit.
• λ: Sentral na haba ng daluyong ng laser.
• w: 1/e² radius ng Gaussian beam na tumatama.
• P0: Pinakamataas na lakas ng ultrashort pulse laser.
• β1: Anggulong kalahating kono ng Bessel beam pagkatapos ng beam compression.
• k: Bektor ng alon.
• J0: Tungkuling Bessel na may zero order.

Distribusyon ng intensidad ng zero-order Bessel beam sa loob ng quartz glass: Sa kaliwa ay ang distribusyon ng optical power density sa direksyon ng propagation at cross-sectional view, at sa kanan ay ang distribusyon ng optical power density sa axis at cross-sectional view.

2. Mga Katangian ng Femtosecond Pulse Bessel Beam sa Fused Silica Glass

Ipinapakita ng Figure (a) ang mga micrograph ng interaksyon sa pagitan ng mga femtosecond pulse Bessel beam at fused silica glass sa iba't ibang pulse energies. Ang lapad ng laser pulse ay nakapirmi sa 220 fs, at ang half-cone angle ng Bessel beam sa loob ng sample ay 12.4°. Mapapansin na ang rehiyon na apektado ng laser ay nagpapakita ng isang tipikal na one-dimensional linear structure. Kapag ang laser pulse energy ay mas mababa sa 9.5 μJ, ang refractive index ng materyal sa focal region ay tumataas, na lumilitaw bilang isang itim na rehiyon sa micrograph.

Kapag ang enerhiya ng pulso ng laser ay lumampas sa 9.5 μJ, ang refractive index ng materyal sa focal region ay bumababa, na lumilitaw bilang isang puting rehiyon sa micrograph, at ang haba ng puting rehiyon ay tumataas kasabay ng pagtaas ng enerhiya ng pulso. Sa pamamagitan ng pagpapakintab ng sample, naobserbahan namin ang mga katangiang morpolohikal ng puting rehiyon sa enerhiya ng pulso na 15.4 μJ sa ilalim ng isang scanning electron microscope, tulad ng ipinapakita sa Figure (b). Mahihinuha na ang isang nanopore na may diyametro na humigit-kumulang 200 nm ay nabubuo sa rehiyon na may pinababang refractive index.

Sa pamamagitan ng ion beam etching at in-situ scanning electron microscope observation systems, lalo naming nakumpirma ang presensya ng nanopore (Figure c). Samakatuwid, upang mabawasan ang pagbuo ng mga depektong dulot ng laser, ang single pulse energy ay hindi dapat lumagpas sa 9.5 μJ habang ginagamit ang laser welding.

3. Pagkamit ng Mataas na Kalidad na Micro-Welding sa Pagitan ng mga Fused Silica Glasses gamit ang Bessel Ultrashort Pulse Laser.

Ipinapakita ng Figure (a) ang isang top-view micrograph ng welding surface ng sample. Makikita na ang laser weld line ay pare-pareho at makinis. Bagama't mayroon pa ring ilang random na distributed micropore defects sa welded area, sa pangkalahatan, ito ay mas mahusay kaysa sa Gaussian laser weld line. Ipinapakita ng mga sukat na ang lapad ng weld line ay humigit-kumulang 18 μm, at ang pagitan sa pagitan ng mga weld line ay 40 μm. Ipinapakita ng Figure (b) ang isang side-view micrograph ng weld line ng sample.

Makikita na ang agwat sa pagitan ng mga sample ay tuluyang nawawala pagkatapos ng pagproseso gamit ang laser, at ang materyal na malapit sa interface ay nagsanib-puwersa bilang iisang entidad matapos sumailalim sa proseso ng thermal melting-cooling. Ipinapakita ng mga sukat na ang lalim ng rehiyon ng thermal melting na dulot ng laser ay umaabot ng hanggang 227 μm. Ipinapahiwatig nito na sa panahon ng laser welding gamit ang mga parameter na ito, ang axial depth ng focal position ay maaaring umabot ng hanggang 227 μm, na apat na beses kaysa sa Gaussian laser welding sa ilalim ng parehong mga kondisyon.

4. Saan Makakabili ng mga Bessel Lens?

Nag-aalok ang Wavelength Opto-Electronic ng mga de-kalidad na lente ng Bessel na ginagamit sa mga aplikasyon sa pagproseso ng laser. Ang kakayahang i-tune ang lalim ng pokus ng output beam sa pamamagitan ng pagsasaayos ng laki ng diameter ng input beam ang pinakakaakit-akit na katangian ng Bessel beam optical system na ito.