Методи за проектиране на Bessel Beam

Автор: Алисия – Оптичен инженер

Редактор: Bryan Ng – маркетинг мениджър

За едновременно разтопяване на материалите от двете страни на интерфейса и установяване на високоякостна микрорегионална връзка, фокусната точка на лазера трябва да бъде прецизно фокусирана върху пробата, което налага строги изисквания към точността на обработка на заваръчната система. Освен това, поради големия аксиален градиент на интензитета на гаусовия лъч след фокусиране, температурата на фокусното поле е неравномерна, което го прави податливо към образуване на микро- и нано-кухини в зоната, засегната от лазера, което от своя страна влияе върху качеството на заваряване на пробата.

Технологията за пространствено оформяне на светлината може да се използва за генериране на Беселови лъчи от нулев порядък за оптимизиране на разпределението на интензитета на лазерното фокусно поле. Този подход намалява градиента на аксиалния интензитет и разширява фокусното разстояние, като по този начин увеличава съотношението дълбочина към ширина на областта на топлинния ефект, образувана от лазера. В резултат на това намалява изискванията за точност на фокусиране на системата за лазерно заваряване, подобрявайки както качеството, така и ефективността на заваряване

1. Генериране и проектиране на параметри на недифракционни Беселови лъчи

През 1987 г. Дурнин за първи път предложи лъча на Бесел от нулев порядък, който показва уникални недифракционни свойства: неговото напречно разпределение на интензитета на светлинното поле остава непроменено по време на разпространението, а размерът на централното петно ​​винаги е близо до границата на дифракция. Освен това лъчите на Бесел също проявяват свойство на самовъзстановяване по време на размножаване. Когато централното петно ​​е запушено, околната светлина ще се сближи към центъра, за да „поправи“ централното петно. Математическият израз за напречното разпределение на светлинното поле на Беселов лъч от нулев порядък е:

В израза:

• J₀ представлява функцията на Бесел от нулев порядък.     
• r и φ са съответно радиалните и ъгловите координатни елементи.
• z е разстоянието на разпространение.
• K_r и К_z са съответно напречните и надлъжните елементи на вълновия вектор.

Централното основно петно ​​на Беселов лъч от нулев порядък има силна способност за ограничаване, позволяваща нива на облъчване от порядъка на TW/cm² или по-високи, което може ефективно да възбуди нелинейна абсорбция в материалите. По-важното е, че недифракционната характеристика на разпространение на Беселовите лъчи от нулев порядък осигурява по-голяма дълбочина на фокусиране и по-малък аксиален градиент на интензитета, като по този начин създава почти равномерно температурно поле и потиска образуването на заваръчни дефекти.

Следващата фигура показва сравнение на фокусното разстояние на Беселовите лъчи и Гаусовите лъчи при една и съща способност за напречно ограничаване. Лъчите на Бесел притежават значителна дълбочина на фокусиране, като същевременно поддържат напречен диаметър на фокалното петно ​​на ниво микрон.

Има няколко метода за генериране на Беселови лъчи от нулев порядък и следните три основни метода са общи:

Метод с пръстеновидна апертура: Методът с пръстеновидна апертура, както подсказва името, включва използването на пръстеновидна цепка за генериране на беселови лъчи. Това е и първият успешен метод за генериране на беселови лъчи. Диаграмата по-долу илюстрира метода с пръстеновидна апертура за генериране на беселови лъчи. Плоска вълна пада перпендикулярно на пръстеновидната цепка отляво и възниква дифракция.

След това положителна леща извършва трансформация на Фурие, което води до образуването на лъч на Бесел зад лещата. Разстоянието на недифракционно разпространение Zmax ​е свързано с диаметъра d на пръстеновидния процеп и цифровата апертура на лещата.

Въпреки че този метод може да генерира Беселови лъчи от нулев порядък, ефективността на преобразуване на енергия е изключително ниска, което го прави труден за прилагане в полетата за лазерна обработка.

Метод на пространствен светлинен модулатор: Процесът на генериране на беселов лъч от нулев порядък е по същество процес на промяна на фазовото разпределение на лъча. Следователно, беселов лъч от нулев порядък може да се генерира и с помощта на пространствен светлинен модулатор. Пространственият светлинен модулатор е вид оптоелектронно модулационно устройство, което контролира интензитета и фазовото разпределение на светлинното поле чрез електрически сигнали. Беселов лъч от нулев порядък може да се генерира чрез прилагане на коничната фаза на лещата, както е показано на фигурата по-долу, към работния панел на пространствения светлинен модулатор.

Метод на аксикон: An аксикон е един от най-често използваните пасивни дифракционни елементи на основата на стъкло за генериране на Беселови лъчи. Когато Гаусов лъч нормално пада върху и преминава през аксикон, неговото фазово разпределение се модулира, трансформирайки го в Беселов лъч от нулев порядък без загуба на енергия, както е показано на фигурата по-долу.

Поради ниската цена, лекотата на използване и високия праг на лазерно увреждане на стъклените аксикони, както и тяхната изключително висока ефективност на оползотворяване на енергия, аксиконите са основният избор за генериране на ултракъси импулсни лъчи на Бесел в областта на лазерната обработка. Фигурата по-долу показва схематично стесняване и предаване на лъча на Беселов лъч от нулев порядък. Чрез регулиране на увеличението и ориентацията на системата за изображения 4f, разстоянието на недифракционно разпространение, ъгълът на полуконуса и ъгълът на наклона в посоката на разпространение на лъча на Бесел могат лесно да се контролират.

Когато Беселов лъч от нулев порядък с ъгъл на полуконуса Ɵ1 и разстояние на разпространение без дифракция Zmax преминава през 4f система, съставена от леща (L1) и леща на обектив (L2), геометричните размери ще бъдат по-големи компресиран. Страничното увеличение е приблизително M=f1/f2=5, а надлъжното увеличение е приблизително M2=25. По този начин окончателното изображение на лъча на Бесел от нулев порядък вътре в пробата може да бъде представено чрез геометричните параметри:

Геометрични параметри на лъча на Бесел, изобразени в проба от кварцово стъкло под различни ъгли на конус и увеличения на компресия на лъча.

Разпределение на интензитета на фокусното поле на Беселов лъч

• r намлява z: Радиални и аксиални координатни компоненти, съответно.
• λ: Централна дължина на вълната на лазера.
• w: 1/e² радиус на падащия гаусов лъч.
• P0: Пикова мощност на лазера с ултракъс импулс.
• β1: Ъгъл на полуконуса на лъча на Бесел след компресия на лъча.
• k: Вълнов вектор.
• J0: Функция на Бесел от нулев порядък.

Разпределение на интензитета на Беселовия лъч от нулев порядък вътре в кварцово стъкло: Отляво са разпределението на оптичната плътност на мощността по посока на разпространение и напречното сечение, а отдясно са разпределението на оптичната плътност на мощността по оста и напречното изглед в разрез

2. Характеристики на фемтосекундния импулсен лъч на Бесел в разтопено силициево стъкло

Фигура (а) показва микрографи на взаимодействието между фемтосекундни импулсни лъчи на Бесел и разтопено силициево стъкло при различни импулсни енергии. Ширината на лазерния импулс е фиксирана на 220 fs, а ъгълът на полуконуса на лъча на Бесел вътре в пробата е 12.4 °. Може да се наблюдава, че засегнатата от лазера област показва типична едномерна линейна структура. Когато енергията на лазерния импулс е по-малка от 9.5 μJ, индексът на пречупване на материала във фокусната област се увеличава, появявайки се като черна област на микроснимката.

Когато енергията на лазерния импулс надвиши 9.5 μJ, индексът на пречупване на материала във фокусната област намалява, появявайки се като бяла област на микроснимката, а дължината на бялата област се увеличава с увеличаване на енергията на импулса. Чрез полиране на пробата наблюдавахме морфологичните характеристики на бялата област при импулсна енергия от 15.4, 200 μJ под сканиращ електронен микроскоп, както е показано на фигура (b). Може да се заключи, че в областта с намален индекс на пречупване се образува нанопора с диаметър приблизително XNUMX nm.

Чрез ецване с йонен лъч и системи за наблюдение на сканиращ електронен микроскоп на място, ние допълнително потвърдихме наличието на нанопора (Фигура c). Следователно, за да се сведе до минимум генерирането на лазерно индуцирани дефекти, единичната импулсна енергия не трябва да надвишава 9.5 μJ по време на лазерно заваряване.

3. Постигане на висококачествено микрозаваряване между разтопени силициеви стъкла с помощта на Bessel Ultrashort Pulse Laser.

Фигура (а) показва микроснимка отгоре на заваръчната повърхност на пробата. Може да се види, че лазерната заваръчна линия е равномерна и гладка. Въпреки че все още има няколко произволно разпределени дефекта на микропорите в заварената зона, като цяло това е значително по-добро от Гаусовата лазерна заваръчна линия. Измерванията показват, че ширината на заваръчната линия е приблизително 18 μm, а разстоянието между заваръчните линии е 40 μm. Фигура (b) показва странична микроснимка на заваръчната линия на пробата.

Може да се види, че празнината между пробите напълно изчезва след лазерна обработка и материалът в близост до интерфейса се е слял в едно цяло, след като е преминал процеса на термично топене-охлаждане. Измерванията разкриват, че дълбочината на зоната на термично топене, предизвикана от лазера, достига до 227 μm. Това показва, че по време на лазерно заваряване с тези параметри, аксиалната дълбочина на фокусната позиция може да достигне до 227 μm, което е четири пъти по-голямо от гаусовото лазерно заваряване при същите условия.

4. Къде да купя Беселови лещи?

Wavelength Opto-Electronic висококачествени предложения Беселови лещи които се използват в приложения за лазерна обработка. Възможността за регулиране на дълбочината на фокус на изходния лъч чрез регулиране на размера на диаметъра на входния лъч е най-атрактивната характеристика на тази оптична система с лъч Бесел.