Методе пројектовања Беселових греда

Да би се истовремено отопили материјали са обе стране интерфејса и успоставила веза микрорегиона високе чврстоће, фокална тачка ласера ​​мора бити прецизно фокусирана на узорак, што намеће строге захтеве за тачност обраде система за заваривање. Поред тога, због великог градијента аксијалног интензитета Гаусовог снопа након фокусирања, температура фокалног поља је неравномерна, што га чини склоним стварању микро- и нано-шупљих дефеката у подручју захваћеном ласером, што заузврат утиче на квалитет заваривања узорка.

Технологија просторног обликовања светлости може се користити за генерисање Беселових снопова нултог реда ради оптимизације расподеле интензитета ласерског фокалног поља. Овај приступ смањује градијент аксијалног интензитета и продужава жижну даљину, чиме се повећава однос дубине и ширине региона термичког ефекта који формира ласер. Као резултат тога, смањују се захтеви за тачношћу фокусирања система за ласерско заваривање, побољшавајући и квалитет и ефикасност заваривања.

1. Генерисање и дизајн параметара недифракционих Беселових снопова

Године 1987, Дурнин је први предложио Беселов сноп нултог реда, који показује јединствена својства недифрактовања: његова попречна расподела интензитета светлосног поља остаје непромењена током простирања, а величина централне тачке је увек близу дифракционе границе. Поред тога, Беселови снопови такође показују својство самоизлечења током простирања. Када је централна тачка заклоњена, околна светлост ће конвергирати ка центру да би „поправила“ централну тачку. Математички израз за попречну расподелу светлосног поља Беселовог снопа нултог реда је:

У изразу:

• J0 представља Беселову функцију нултог реда.
• r и φ су радијални и угаони координатни елементи, респективно.
• z је растојање пропагације.
• Kr и Kz су попречни и уздужни елементи таласног вектора, респективно.

Централна главна тачка Беселовог снопа нултог реда има јак капацитет ограничавања, омогућавајући нивое зрачења реда величине TW/cm² или више, што може ефикасно побудити нелинеарну апсорпцију у материјалима. Још важније, карактеристика недифракционог ширења Беселових снопова нултог реда обезбеђује већу дубину фокуса и мањи аксијални градијент интензитета, чиме се ствара готово једнообразно температурно поље и сузбија стварање дефеката заваривања.

Следећа слика приказује поређење жижне даљине Беселових снопова и Гаусових снопова под истим капацитетом попречног ограничења. Беселови снопови поседују значајну дубину фокуса, а истовремено одржавају пречник жижне тачке на попречном нивоу микрона.

Постоји неколико метода за генерисање Беселових снопова нултог реда, а следеће три главне методе су уобичајене:

Метода прстенасте апертуре: Метода прстенасте апертуре, као што и само име сугерише, подразумева коришћење прстенастог прореза за стварање Беселових снопова. Ово је такође била прва успешна метода за генерисање Беселових снопова. Дијаграм испод илуструје методу прстенасте апертуре за генерисање Беселових снопова. Равански талас пада нормално на прстенасти прорез са леве стране и долази до дифракције.

Након тога, позитивно сочиво врши Фуријеову трансформацију, што резултира формирањем Беселовог снопа иза сочива. Недифракциона пропагациона удаљеност Zmax ​повезана је са пречником d прстенастог прореза и нумеричком апертуром сочива.

Иако ова метода може генерисати Беселове снопове нултог реда, ефикасност конверзије енергије је изузетно ниска, што отежава њену примену у областима ласерске обраде.

Метод просторног модулатора светлости: Процес генерисања Беселовог снопа нултог реда је у суштини процес промене фазне расподеле снопа. Стога се Беселов сноп нултог реда може генерисати и помоћу просторног модулатора светлости. Просторни модулатор светлости је врста оптоелектронског модулационог уређаја који контролише интензитет светлосног поља и фазну расподелу путем електричних сигнала. Беселов сноп нултог реда може се генерисати применом фазе конусног сочива, као што је приказано на слици испод, на радну плочу просторног модулатора светлости.

Аксикон метод: Аксикон је један од најчешће коришћених пасивних дифрактивних елемената на бази стакла за генерисање Беселових снопова. Када Гаусов сноп нормално падне на аксикон и прође кроз њега, његова фазна расподела се модулише, трансформишући га у Беселов сноп нултог реда без икаквог губитка енергије, као што је приказано на слици испод.

Због ниске цене, једноставности употребе и високог прага оштећења ласера ​​стаклених аксикона, као и њихове изузетно високе ефикасности искоришћења енергије, аксикони су примарни избор за генерисање ултракратких импулсних Беселових снопова у области ласерске обраде. Слика испод приказује шему сужавања снопа и преноса Беселовог снопа нултог реда. Подешавањем увећања и оријентације 4f система за снимање, недифрактивна удаљеност пропагације, угао полуконуса и угао нагиба у правцу пропагације Беселовог снопа могу се лако контролисати.

Када Беселов сноп нултог реда са углом полуконуса од Ɵ1 и растојањем пропагације без дифракције Zmax прође кроз 4f систем састављен од сочива (L1) и објектива (L2), геометријске димензије ће бити додатно компресоване. Латерално увећање је приближно M=f1/f2=5, а уздужно увећање је приближно M2=25. Дакле, коначна слика Беселовог снопа нултог реда унутар узорка може се представити геометријским параметрима:

Геометријски параметри Беселовог снопа снимљеног унутар узорка кварцног стакла под различитим угловима конуса и увећањима компресије снопа.

Расподела интензитета фокусног поља Беселовог снопа

• r и z: Радијалне и аксијалне координатне компоненте, респективно.
• λ: Централна таласна дужина ласера.
• w: полупречник упадног Гаусовог снопа од 1/e².
• P0: Вршна снага ултракратког импулсног ласера.
• β1: Угао полуконуса Беселове греде након компресије греде.
• k: Таласни вектор.
• J0: Беселова функција нултог реда.

Расподела интензитета Беселовог снопа нултог реда унутар кварцног стакла: Лево су расподела густине оптичке снаге дуж правца простирања и попречни пресек, а десно су расподела густине оптичке снаге дуж осе и попречни пресек.

2. Карактеристике фемтосекундног импулсног Беселовог снопа у растопљеном силицијумском стаклу

Слика (а) приказује микрографије интеракције између фемтосекундних импулсних Беселових снопова и фузионог силицијумског стакла при различитим енергијама импулса. Ширина ласерског импулса је фиксирана на 220 fs, а угао полуконуса Беселовог снопа унутар узорка је 12,4°. Може се приметити да регион захваћен ласером показује типичну једнодимензионалну линеарну структуру. Када је енергија ласерског импулса мања од 9,5 μJ, индекс преламања материјала у фокалној области се повећава, појављујући се као црна област на микрографији.

Када енергија ласерског импулса пређе 9,5 μJ, индекс преламања материјала у фокалној области се смањује, појављујући се као бела област на микрографији, а дужина беле области се повећава са повећањем енергије импулса. Полирањем узорка, посматрали смо морфолошке карактеристике беле области при енергији импулса од 15,4 μJ под скенирајућим електронским микроскопом, као што је приказано на слици (б). Може се закључити да се у области са смањеним индексом преламања формира нанопора пречника приближно 200 nm.

Користећи јонске снопове нагризања и in situ системе за посматрање помоћу скенирајућег електронског микроскопа, додатно смо потврдили присуство нанопора (слика ц). Стога, како би се минимизирало стварање дефеката изазваних ласером, енергија једног импулса не би требало да прелази 9,5 μJ током ласерског заваривања.

3. Постизање висококвалитетног микро-заваривања између стакала од фузионог силицијум диоксида коришћењем Беселовог ултракратког импулсног ласера.

Слика (а) приказује микрографију површине завара узорка из горњег погледа. Може се видети да је линија ласерског завара уједначена и глатка. Иако и даље постоји неколико насумично распоређених микропора у завареном подручју, генерално је знатно боља од Гаусове линије ласерског завара. Мерења показују да је ширина линије завара приближно 18 μм, а размак између линија завара 40 μм. Слика (б) приказује бочну микрографију линије завара узорка.

Може се видети да размак између узорака потпуно нестаје након ласерске обраде, а материјал близу међуповршине се спојио у јединствену целину након што је прошао кроз процес термичког топљења-хлађења. Мерења показују да дубина ласерски индукованог региона термичког топљења достиже и до 227 μm. Ово указује да током ласерског заваривања са овим параметрима, аксијална дубина фокалне позиције може достићи и до 227 μm, што је четири пута веће од Гаусовог ласерског заваривања под истим условима.

4. Где купити Беселова сочива?

Компанија Wavelength Opto-Electronic нуди висококвалитетна Беселова сочива која се користе у апликацијама за ласерску обраду. Могућност подешавања дубине фокуса излазног снопа подешавањем величине пречника улазног снопа је најатрактивнија карактеристика овог оптичког система са Беселовим снопом.