Kaedah Reka Bentuk Rasuk Bessel

Untuk mencairkan bahan pada kedua-dua belah antara muka secara serentak dan mewujudkan ikatan mikro-rantau kekuatan tinggi, titik fokus laser mesti difokuskan dengan tepat pada sampel, yang mengenakan tuntutan ketat terhadap ketepatan pemprosesan sistem kimpalan. Di samping itu, disebabkan oleh kecerunan keamatan paksi yang besar bagi pancaran Gaussian selepas pemfokusan, suhu medan fokus tidak sekata, menjadikannya mudah membentuk kecacatan mikro dan nano-rongga di kawasan yang terjejas oleh laser, yang seterusnya menjejaskan kualiti kimpalan sampel.

Teknologi pembentukan cahaya ruang boleh digunakan untuk menjana pancaran Bessel tertib sifar bagi mengoptimumkan taburan keamatan medan fokus laser. Pendekatan ini mengurangkan kecerunan keamatan paksi dan memanjangkan panjang fokus, sekali gus meningkatkan nisbah kedalaman-ke-lebar kawasan kesan haba yang dibentuk oleh laser. Hasilnya, ia mengurangkan keperluan ketepatan pemfokusan sistem kimpalan laser, sekali gus meningkatkan kualiti dan kecekapan kimpalan.

1. Reka Bentuk Penjanaan dan Parameter Rasuk Bessel Tidak Terbiaskan

Pada tahun 1987, Durnin pertama kali mencadangkan pancaran Bessel tertib sifar, yang menunjukkan sifat bukan pembelauan yang unik: taburan keamatan medan cahaya melintangnya kekal tidak berubah semasa perambatan, dan saiz titik tengah sentiasa hampir dengan had pembelauan. Selain itu, pancaran Bessel juga mempamerkan sifat penyembuhan diri semasa perambatan. Apabila titik tengah terhalang, cahaya di sekeliling akan menumpu ke arah pusat untuk "membaiki" titik tengah. Ungkapan matematik untuk taburan medan cahaya melintang bagi pancaran Bessel tertib sifar ialah:

Dalam ungkapan:

• J0 ​mewakili fungsi Bessel tertib sifar.
• r dan φ masing-masing ialah unsur koordinat jejari dan sudut.
• z ialah jarak perambatan.
• Kr dan Kz masing-masing ialah unsur vektor gelombang melintang dan membujur.

Titik utama tengah rasuk Bessel tertib sifar mempunyai keupayaan pengurungan yang kuat, membolehkan tahap penyinaran pada tertib TW/cm² atau lebih tinggi, yang boleh merangsang penyerapan tak linear dalam bahan secara berkesan. Lebih penting lagi, ciri perambatan tak terbelau bagi rasuk Bessel tertib sifar memberikan kedalaman fokus yang lebih besar dan kecerunan keamatan paksi yang lebih kecil, sekali gus mewujudkan medan suhu yang hampir seragam dan menyekat pembentukan kecacatan kimpalan.

Rajah berikut menunjukkan perbandingan panjang fokus pancaran Bessel dan pancaran Gaussian di bawah keupayaan kurungan melintang yang sama. Pancaran Bessel mempunyai kedalaman fokus yang ketara sambil mengekalkan diameter titik fokus aras mikron melintang.

Terdapat beberapa kaedah untuk menghasilkan rasuk Bessel tertib sifar, dan tiga kaedah utama berikut adalah perkara biasa:

Kaedah Apertur Anulus: Kaedah apertur anulus, seperti namanya, melibatkan penggunaan celah anulus untuk menghasilkan rasuk Bessel. Ini juga merupakan kaedah pertama yang berjaya untuk menghasilkan rasuk Bessel. Gambar rajah di bawah menggambarkan kaedah apertur anulus untuk menghasilkan rasuk Bessel. Gelombang satah datang secara serenjang ke celah anulus dari kiri dan pembelauan berlaku.

Selepas itu, kanta positif melakukan transformasi Fourier, menghasilkan pembentukan pancaran Bessel di belakang kanta. Jarak perambatan tak-difraksi Zmax adalah berkaitan dengan diameter d celah anulus dan apertur berangka kanta.

Walaupun kaedah ini boleh menghasilkan rasuk Bessel tertib sifar, kecekapan penukaran tenaga adalah sangat rendah, menjadikannya sukar untuk digunakan dalam medan pemprosesan laser.

Kaedah Modulator Cahaya Ruang: Proses penjanaan pancaran Bessel tertib sifar pada asasnya merupakan proses mengubah taburan fasa pancaran. Oleh itu, pancaran Bessel tertib sifar juga boleh dijana menggunakan modulator cahaya ruang. Modulator cahaya ruang ialah sejenis peranti modulasi optoelektronik yang mengawal keamatan medan cahaya dan taburan fasa melalui isyarat elektrik. Pancaran Bessel tertib sifar boleh dijana dengan menggunakan fasa kanta kon, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, pada panel kerja modulator cahaya ruang.

Kaedah aksikon: Aksikon ialah salah satu unsur pembelauan berasaskan kaca pasif yang paling biasa digunakan untuk menjana pancaran Bessel. Apabila pancaran Gaussian biasanya mengenai dan melalui aksikon, taburan fasanya dimodulasi, mengubahnya menjadi pancaran Bessel tertib sifar tanpa sebarang kehilangan tenaga, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah.

Disebabkan kos rendah, kemudahan penggunaan dan ambang kerosakan laser yang tinggi bagi aksikon kaca, serta kecekapan penggunaan tenaga yang sangat tinggi, aksikon merupakan pilihan utama untuk menjana pancaran Bessel denyut ultrapendek dalam bidang pemprosesan laser. Rajah di bawah menunjukkan skema penyempitan dan penghantaran pancaran pancaran Bessel tertib sifar. Dengan melaraskan pembesaran dan orientasi sistem pengimejan 4f, jarak perambatan bukan pembelauan, sudut separuh kon dan sudut kecondongan dalam arah perambatan pancaran Bessel boleh dikawal dengan mudah.

Apabila pancaran Bessel tertib sifar dengan sudut separuh kon Ɵ1 dan jarak perambatan bebas pembelauan Zmax melalui sistem 4f yang terdiri daripada kanta (L1) dan kanta objektif (L2), dimensi geometri akan dimampatkan lagi. Pembesaran sisi adalah lebih kurang M=f1/f2=5, dan pembesaran membujur adalah lebih kurang M2=25. Oleh itu, pengimejan akhir pancaran Bessel tertib sifar di dalam sampel boleh diwakili oleh parameter geometri:

Parameter geometri rasuk Bessel yang diimejkan di dalam sampel kaca kuarza di bawah sudut kon dan pembesaran mampatan rasuk yang berbeza.

Taburan keamatan medan fokus bagi pancaran Bessel

• r dan z: Komponen koordinat jejari dan paksi, masing-masing.
• λ: Panjang gelombang pusat laser.
• w: jejari 1/e² pancaran Gaussian datang.
• P0: Kuasa puncak laser denyut ultrapendek.
• β1: Sudut separuh kon bagi rasuk Bessel selepas mampatan rasuk.
• k: Vektor gelombang.
• J0: Fungsi Bessel tertib sifar.

Taburan keamatan rasuk Bessel tertib sifar di dalam kaca kuarza: Di sebelah kiri ialah taburan ketumpatan kuasa optik di sepanjang arah perambatan dan pandangan keratan rentas, dan di sebelah kanan ialah taburan ketumpatan kuasa optik di sepanjang paksi dan pandangan keratan rentas

2. Ciri-ciri Rasuk Bessel Nadi Femtosaat dalam Kaca Silika Terlakur

Rajah (a) menunjukkan mikrograf interaksi antara pancaran Bessel denyut femtosaat dan kaca silika terlakur pada tenaga denyut yang berbeza. Lebar denyut laser ditetapkan pada 220 fs, dan sudut separuh kon pancaran Bessel di dalam sampel ialah 12.4°. Dapat diperhatikan bahawa kawasan yang terjejas laser mempamerkan struktur linear satu dimensi yang tipikal. Apabila tenaga denyut laser kurang daripada 9.5 μJ, indeks biasan bahan di kawasan fokus meningkat, muncul sebagai kawasan hitam dalam mikrograf.

Apabila tenaga denyut laser melebihi 9.5 μJ, indeks biasan bahan di kawasan fokus berkurangan, muncul sebagai kawasan putih dalam mikrograf, dan panjang kawasan putih meningkat dengan peningkatan tenaga denyut. Dengan menggilap sampel, kami memerhatikan ciri-ciri morfologi kawasan putih pada tenaga denyut 15.4 μJ di bawah mikroskop elektron imbasan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (b). Dapat disimpulkan bahawa nanopore dengan diameter kira-kira 200 nm terbentuk di kawasan dengan indeks biasan yang dikurangkan.

Melalui sistem pengetsaan pancaran ion dan pemerhatian mikroskop elektron pengimbasan in-situ, kami mengesahkan lagi kehadiran nanopore (Rajah c). Oleh itu, untuk meminimumkan penjanaan kecacatan yang disebabkan oleh laser, tenaga denyut tunggal tidak boleh melebihi 9.5 μJ semasa kimpalan laser.

3. Mencapai Kimpalan Mikro Berkualiti Tinggi Antara Kaca Silika Terlakur menggunakan Laser Nadi Ultrapendek Bessel.

Rajah (a) menunjukkan mikrograf pandangan atas permukaan kimpalan sampel. Dapat dilihat bahawa garisan kimpalan laser adalah seragam dan licin. Walaupun masih terdapat beberapa kecacatan mikroliang yang diagihkan secara rawak di kawasan kimpalan, secara keseluruhan, ia jauh lebih baik daripada garisan kimpalan laser Gaussian. Pengukuran menunjukkan bahawa lebar garisan kimpalan adalah lebih kurang 18 μm, dan jarak antara garisan kimpalan ialah 40 μm. Rajah (b) menunjukkan mikrograf pandangan sisi garisan kimpalan sampel.

Dapat dilihat bahawa jurang antara sampel hilang sepenuhnya selepas pemprosesan laser, dan bahan berhampiran antara muka telah bergabung menjadi satu entiti selepas menjalani proses peleburan-penyejukan terma. Pengukuran mendedahkan bahawa kedalaman kawasan peleburan terma yang disebabkan oleh laser mencapai sehingga 227 μm. Ini menunjukkan bahawa semasa kimpalan laser dengan parameter ini, kedalaman paksi kedudukan fokus boleh mencapai sehingga 227 μm, iaitu empat kali ganda daripada kimpalan laser Gaussian di bawah keadaan yang sama.

4. Di Mana Boleh Membeli Kanta Bessel?

Opto-Elektronik Panjang Gelombang menawarkan kanta Bessel berkualiti tinggi yang digunakan dalam aplikasi pemprosesan laser. Kebolehtalaan kedalaman fokus pancaran output dengan melaraskan saiz diameter pancaran input merupakan ciri paling menarik bagi sistem optik pancaran Bessel ini.