Metódy návrhu Besselových nosníkov

Aby sa materiály na oboch stranách rozhrania súčasne roztavili a vytvorila sa vysoko pevná mikrooblasťová väzba, musí byť laserové ohnisko presne zaostrené na vzorku, čo kladie prísne požiadavky na presnosť spracovania zváracieho systému. Okrem toho, v dôsledku veľkého axiálneho gradientu intenzity Gaussovho lúča po zaostrení je teplota ohniska nerovnomerná, čo ho robí náchylným na tvorbu mikro- a nano-dutín v oblasti ovplyvnenej laserom, čo následne ovplyvňuje kvalitu zvárania vzorky.

Technológia priestorového tvarovania svetla sa dá použiť na generovanie Besselových lúčov nultého rádu na optimalizáciu rozloženia intenzity laserového ohniskového poľa. Tento prístup znižuje axiálny gradient intenzity a predlžuje ohniskovú vzdialenosť, čím sa zvyšuje pomer hĺbky k šírke oblasti tepelného efektu vytvorenej laserom. V dôsledku toho sa znižujú požiadavky na presnosť zaostrenia laserového zváracieho systému, čím sa zlepšuje kvalita aj účinnosť zvárania.

1. Generovanie a návrh parametrov nedifrakčných Besselových lúčov

V roku 1987 Durnin prvýkrát navrhol Besselov lúč nultého rádu, ktorý vykazuje jedinečné nedifrakčné vlastnosti: jeho priečne rozloženie intenzity svetelného poľa zostáva počas šírenia nezmenené a veľkosť centrálnej škvrny je vždy blízko difrakčného limitu. Besselove lúče navyše vykazujú počas šírenia aj samoopravnú vlastnosť. Keď je centrálna škvrna zakrytá, okolité svetlo sa zbieha smerom k stredu, aby ju „opravilo“. Matematický výraz pre priečne rozloženie svetelného poľa Besselovho lúča nultého rádu je:

Vo výraze:

• J0 predstavuje Besselovu funkciu nultého rádu.
• r a φ sú radiálne a uhlové súradnicové prvky.
• z je vzdialenosť šírenia.
• Kr a Kz sú priečne a pozdĺžne prvky vlnového vektora.

Centrálna hlavná škvrna Besselovho lúča nultého rádu má silnú schopnosť obmedzenia, ktorá umožňuje úrovne ožiarenia rádovo TW/cm² alebo vyššie, čo môže účinne excitovať nelineárnu absorpciu v materiáloch. A čo je dôležitejšie, charakteristika nedifrakčného šírenia Besselovho lúča nultého rádu poskytuje väčšiu hĺbku ostrosti a menší axiálny gradient intenzity, čím vytvára takmer rovnomerné teplotné pole a potláča tvorbu zvarových defektov.

Nasledujúci obrázok znázorňuje porovnanie ohniskovej vzdialenosti Besselovho lúča a Gaussovho lúča pri rovnakej možnosti priečneho obmedzenia. Besselov lúč má značnú hĺbku ostrosti pri zachovaní priečneho priemeru ohniskovej škvrny na úrovni mikrónov.

Existuje niekoľko metód generovania Besselových lúčov nultého rádu a bežné sú tieto tri hlavné metódy:

Metóda prstencovej apertúry: Metóda prstencovej apertúry, ako už názov napovedá, zahŕňa použitie prstencovej štrbiny na vytvorenie Besselových lúčov. Toto bola tiež prvá úspešná metóda generovania Besselových lúčov. Diagram nižšie znázorňuje metódu prstencovej apertúry na generovanie Besselových lúčov. Rovinná vlna dopadá kolmo na prstencovú štrbinu zľava a dochádza k difrakcii.

Pozitívna šošovka následne vykoná Fourierovu transformáciu, čoho výsledkom je vytvorenie Besselovho lúča za šošovkou. Nedifrakčná vzdialenosť šírenia Zmax súvisí s priemerom d prstencovej štrbiny a numerickou apertúrou šošovky.

Hoci táto metóda dokáže generovať Besselove lúče nultého rádu, účinnosť premeny energie je extrémne nízka, čo sťažuje jej použitie v oblastiach laserového spracovania.

Metóda priestorového modulátora svetla: Proces generovania Besselovho lúča nultého rádu je v podstate procesom zmeny fázového rozloženia lúča. Besselov lúč nultého rádu je preto možné generovať aj pomocou priestorového modulátora svetla. Priestorový modulátor svetla je typ optoelektronického modulačného zariadenia, ktoré riadi intenzitu svetelného poľa a fázové rozloženie prostredníctvom elektrických signálov. Besselov lúč nultého rádu je možné generovať aplikáciou fázy kužeľovej šošovky, ako je znázornené na obrázku nižšie, na pracovný panel priestorového modulátora svetla.

Metóda Axicon: Axicon je jeden z najčastejšie používaných pasívnych difrakčných prvkov na báze skla na generovanie Besselových lúčov. Keď Gaussov lúč normálne dopadá na axicon a prechádza ním, jeho fázové rozloženie sa moduluje, čím sa transformuje na Besselov lúč nultého rádu bez akejkoľvek straty energie, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Vďaka nízkym nákladom, jednoduchému použitiu a vysokému prahu poškodenia laserom sklenených axikonov, ako aj ich mimoriadne vysokej účinnosti využitia energie, sú axikony primárnou voľbou na generovanie ultrakrátkych pulzných Besselovych lúčov v oblasti laserového spracovania. Obrázok nižšie znázorňuje schému zúženia lúča a prenosu Besselovho lúča nultého rádu. Úpravou zväčšenia a orientácie zobrazovacieho systému 4f je možné ľahko ovládať nedifrakčnú vzdialenosť šírenia, uhol polovičného kužeľa a uhol sklonu v smere šírenia Besselovho lúča.

Keď Besselov lúč nultého rádu s uhlom polovičného kužeľa Ɵ1 a bezdifrakčnou vzdialenosťou šírenia Zmax prechádza systémom 4f zloženým zo šošovky (L1) a objektívu (L2), geometrické rozmery sa ďalej skrátia. Bočné zväčšenie je približne M=f1/f2=5 a pozdĺžne zväčšenie je približne M2=25. Konečné zobrazenie Besselovho lúča nultého rádu vo vnútri vzorky teda možno reprezentovať geometrickými parametrami:

Geometrické parametre Besselovho lúča zobrazeného vo vnútri vzorky kremenného skla pri rôznych uhloch kužeľa a zväčšeniach kompresie lúča.

Rozloženie intenzity ohniskovej oblasti Besselovho lúča

• r a z: Radiálna a axiálna súradnicová zložka.
• λ: Centrálna vlnová dĺžka laseru.
• w: polomer 1/e² dopadajúceho Gaussovho lúča.
• P0: Špičkový výkon laseru s ultrakrátkymi impulzmi.
• β1: Uhol polovičného kužeľa Besselovho nosníka po stlačení nosníka.
• k: Vlnový vektor.
• J0: Besselova funkcia nultého rádu.

Rozloženie intenzity Besselovho lúča nultého rádu vo vnútri kremenného skla: Vľavo je rozloženie hustoty optického výkonu pozdĺž smeru šírenia a prierezový pohľad a vpravo je rozloženie hustoty optického výkonu pozdĺž osi a prierezový pohľad.

2. Charakteristiky femtosekundového pulzného Besselovho lúča v tavenom kremičitom skle

Obrázok (a) zobrazuje mikrofotografie interakcie medzi femtosekundovými pulznými Besselovymi lúčmi a taveným kremenným sklom pri rôznych energiách pulzov. Šírka laserového pulzu je fixná na 220 fs a uhol polovičného kužeľa Besselovho lúča vo vnútri vzorky je 12,4°. Je možné pozorovať, že oblasť ovplyvnená laserom vykazuje typickú jednorozmernú lineárnu štruktúru. Keď je energia laserového pulzu menšia ako 9,5 μJ, index lomu materiálu v ohniskovej oblasti sa zvyšuje a na mikrofotografii sa javí ako čierna oblasť.

Keď energia laserového impulzu prekročí 9,5 μJ, index lomu materiálu v ohniskovej oblasti sa znižuje a na mikrofotografii sa prejavuje ako biela oblasť. Dĺžka bielej oblasti sa so zvyšujúcou sa energiou impulzu zväčšuje. Leštením vzorky sme pod skenovacím elektrónovým mikroskopom pozorovali morfologické charakteristiky bielej oblasti pri energii impulzu 15,4 μJ, ako je znázornené na obrázku (b). Možno konštatovať, že v oblasti so zníženým indexom lomu sa vytvára nanopór s priemerom približne 200 nm.

Pomocou leptania iónovým lúčom a pozorovacích systémov in situ skenovacím elektrónovým mikroskopom sme ďalej potvrdili prítomnosť nanopórov (obrázok c). Preto, aby sa minimalizoval vznik laserom indukovaných defektov, energia jedného impulzu by počas laserového zvárania nemala prekročiť 9,5 μJ.

3. Dosiahnutie vysokokvalitného mikrozvárania medzi tavenými kremičitými sklami pomocou Besselového ultrakrátkeho pulzného laseru.

Obrázok (a) zobrazuje mikrofotografiu zvarového povrchu vzorky v pohľade zhora. Je vidieť, že laserová zvarová línia je rovnomerná a hladká. Hoci sa v zvarovej oblasti stále nachádza niekoľko náhodne rozložených mikroporéznych defektov, celkovo je výrazne lepšia ako Gaussova laserová zvarová línia. Merania ukazujú, že šírka zvarovej línie je približne 18 μm a rozostup medzi zvarovými líniami je 40 μm. Obrázok (b) zobrazuje bočný mikrofotografiu zvarovej línie vzorky.

Je vidieť, že medzera medzi vzorkami po laserovom spracovaní úplne zmizne a materiál v blízkosti rozhrania sa po procese tepelného tavenia a ochladzovania spojil do jedného celku. Merania ukazujú, že hĺbka laserom indukovanej oblasti tepelného tavenia dosahuje až 227 μm. To naznačuje, že počas laserového zvárania s týmito parametrami môže axiálna hĺbka ohniska dosiahnuť až 227 μm, čo je štvornásobok hĺbky pri gaussovskom laserovom zváraní za rovnakých podmienok.

4. Kde kúpiť Besselove šošovky?

Spoločnosť Wavelength Opto-Electronic ponúka vysokokvalitné Besselove šošovky, ktoré sa používajú v aplikáciách laserového spracovania. Najatraktívnejším prvkom tohto optického systému s Besselovym lúčom je laditeľnosť hĺbky ostrosti výstupného lúča nastavením veľkosti priemeru vstupného lúča.