Metody návrhu Besselova nosníku

Autor: Alicia – Optická inženýrka

Redaktor: Bryan Ng – marketingový manažer

Pro současné roztavení materiálů na obou stranách rozhraní a vytvoření vysokopevnostní vazby mikroregionů musí být ohnisko laseru přesně zaměřeno na vzorek, což klade vysoké nároky na přesnost zpracování svařovacího systému. Navíc v důsledku velkého gradientu axiální intenzity gaussovského paprsku po zaostření je teplota ohniskového pole nerovnoměrná, takže je náchylné k vytváření mikro- a nanovo-dutinových defektů v oblasti ovlivněné laserem, což zase ovlivňuje kvalitu svařování. vzorek.

Technologie tvarování prostorového světla může být použita pro generování Besselových paprsků nulového řádu pro optimalizaci rozložení intenzity ohniskového pole laseru. Tento přístup snižuje gradient axiální intenzity a prodlužuje ohniskovou vzdálenost, čímž zvyšuje poměr hloubek k šířce oblasti tepelného efektu vytvořené laserem. V důsledku toho snižuje požadavky na přesnost zaostřování systému laserového svařování a zlepšuje kvalitu i účinnost svařování

1. Generování a návrh parametrů nedifrakčních Besselových paprsků

V roce 1987 Durnin poprvé navrhl Besselův paprsek nultého řádu, který vykazuje jedinečné nedifrakční vlastnosti: jeho příčné rozložení intenzity světelného pole zůstává během šíření nezměněno a velikost centrální skvrny je vždy blízká meze difrakce. Kromě toho Besselovy paprsky také vykazují samoopravnou vlastnost během šíření. Když je centrální bod zakrytý, okolní světlo se bude sbíhat směrem ke středu, aby „opravilo“ centrální bod. Matematický výraz pro příčné rozložení světelného pole Besselova svazku nultého řádu je:

Ve výrazu:

• J₀ představuje Besselovu funkci nultého řádu.     
• r a φ jsou prvky radiálních a úhlových souřadnic.
• z je vzdálenost šíření.
• K_r a K_z jsou prvky příčného a podélného vlnového vektoru.

Centrální hlavní bod Besselova paprsku nultého řádu má silnou schopnost zadržet, což umožňuje úrovně ozáření řádově TW/cm² nebo vyšší, což může účinně vyvolat nelineární absorpci v materiálech. Důležitější je, že charakteristika nedifrakčního šíření Besselových paprsků nultého řádu poskytuje větší hloubku ohniska a menší gradient axiální intenzity, čímž vytváří téměř rovnoměrné teplotní pole a potlačuje tvorbu defektů svařování.

Následující obrázek ukazuje srovnání ohniskové vzdálenosti Besselových paprsků a Gaussových paprsků při stejné schopnosti příčného omezení. Besselovy paprsky mají značnou hloubku ohniska při zachování příčného průměru ohniskové skvrny na úrovni mikronů.

Existuje několik metod generování Besselových paprsků nultého řádu a běžné jsou následující tři hlavní metody:

Metoda prstencové apertury: Metoda prstencové apertury, jak název napovídá, zahrnuje použití prstencové štěrbiny k vytvoření Besselových paprsků. Toto byla také první úspěšná metoda pro generování Besselových paprsků. Níže uvedený diagram znázorňuje metodu prstencové apertury pro generování Besselových paprsků. Rovinná vlna dopadá kolmo na prstencovou štěrbinu zleva a dochází k difrakci.

Poté kladná čočka provádí Fourierovu transformaci, jejímž výsledkem je vytvoření Besselova paprsku za čočkou. Nedifrakční vzdálenost šíření Zmax souvisí s průměrem d prstencové štěrbiny a numerickou aperturou čočky.

Ačkoli tato metoda může generovat Besselovy paprsky nulového řádu, účinnost přeměny energie je extrémně nízká, což ztěžuje její použití v oblastech laserového zpracování.

Metoda prostorového modulátoru světla: Proces generování Besselova paprsku nultého řádu je v podstatě procesem změny fázového rozložení paprsku. Besselův paprsek nultého řádu lze proto generovat také pomocí prostorového modulátoru světla. Prostorový modulátor světla je typ optoelektronického modulačního zařízení, které řídí intenzitu světelného pole a fázové rozložení pomocí elektrických signálů. Besselův paprsek nultého řádu lze generovat aplikací fáze kuželové čočky, jak je znázorněno na obrázku níže, na pracovní panel prostorového modulátoru světla.

Axicon metoda: An axicon je jedním z nejčastěji používaných pasivních difrakčních prvků na bázi skla pro generování Besselových paprsků. Když Gaussův paprsek normálně dopadá na axikon a prochází jím, jeho fázové rozložení je modulováno a transformuje ho na Besselův paprsek nultého řádu bez jakékoli ztráty energie, jak je znázorněno na obrázku níže.

Vzhledem k nízké ceně, snadnému použití a vysokému prahu poškození laserem u skleněných axikonů, stejně jako jejich výjimečně vysoké účinnosti využití energie, jsou axikony primární volbou pro generování ultrakrátkých pulzních Besselových paprsků v oblasti laserového zpracování. Obrázek níže ukazuje schéma zúžení paprsku a přenosu Besselova paprsku nultého řádu. Úpravou zvětšení a orientace zobrazovacího systému 4f lze snadno ovládat nedifrakční vzdálenost šíření, úhel polovičního kužele a úhel sklonu ve směru šíření Besselova paprsku.

Když Besselův paprsek nultého řádu s úhlem polovičního kužele Ɵ1 a bezdifrakční vzdáleností šíření Zmax prochází systémem 4f složeným z čočky (L1) a čočky objektivu (L2), geometrické rozměry budou dále stlačený. Boční zvětšení je přibližně M=f1/f2=5 a podélné zvětšení je přibližně M2=25. Konečné zobrazení Besselova paprsku nultého řádu uvnitř vzorku tedy může být reprezentováno geometrickými parametry:

Geometrické parametry Besselova paprsku zobrazené uvnitř vzorku křemenného skla pod různými úhly kužele a zvětšením komprese paprsku.

Rozložení intenzity ohniskového pole Besselova paprsku

• r a z: Radiální a axiální složky souřadnic, v daném pořadí.
• λ: Centrální vlnová délka laseru.
• w: 1/e² poloměr dopadajícího Gaussova paprsku.
• P0: Špičkový výkon ultrakrátkého pulzního laseru.
• β1: Polokuželový úhel Besselova paprsku po stlačení paprsku.
• k: Vlnový vektor.
• J0: Besselova funkce nulového řádu.

Rozložení intenzity Besselova paprsku nultého řádu uvnitř křemenného skla: Vlevo je rozložení hustoty optického výkonu podél směru šíření a pohled v řezu a vpravo rozložení hustoty optického výkonu podél osy a příčného řezu. pohled v řezu

2. Charakteristika femtosekundového pulzního Besselova paprsku v taveném křemičitém skle

Obrázek (a) ukazuje mikrofotografie interakce mezi femtosekundovými pulzními Besselovými paprsky a taveným křemičitým sklem při různých energiích pulzu. Šířka laserového pulsu je pevně nastavena na 220 fs a úhel polovičního kužele Besselova paprsku uvnitř vzorku je 12.4°. Lze pozorovat, že oblast ovlivněná laserem vykazuje typickou jednorozměrnou lineární strukturu. Když je energie laserového pulsu menší než 9.5 μJ, index lomu materiálu v ohniskové oblasti se zvyšuje a na mikrosnímku se jeví jako černá oblast.

Když energie laserového pulsu překročí 9.5 μJ, index lomu materiálu v ohniskové oblasti klesá, na mikrosnímku se jeví jako bílá oblast a délka bílé oblasti se zvětšuje s rostoucí energií pulsu. Leštěním vzorku jsme pozorovali morfologické charakteristiky bílé oblasti při energii pulsu 15.4 μJ pod rastrovacím elektronovým mikroskopem, jak je znázorněno na obrázku (b). Lze usuzovat, že v oblasti se sníženým indexem lomu vzniká nanopór o průměru přibližně 200 nm.

Prostřednictvím leptání iontovým paprskem a pozorovacích systémů in-situ rastrovacím elektronovým mikroskopem jsme dále potvrdili přítomnost nanopóru (obrázek c). Proto, aby se minimalizovalo generování laserem indukovaných defektů, neměla by energie jednoho pulzu během laserového svařování překročit 9.5 μJ.

3. Dosažení vysoce kvalitního mikrosvařování mezi tavenými křemičitými sklíčky pomocí Besselova ultrakrátkého pulzního laseru.

Obrázek (a) ukazuje pohled shora na mikrosnímek svařovacího povrchu vzorku. Je vidět, že linie laserového svaru je rovnoměrná a hladká. Přestože ve svařované oblasti stále existuje několik náhodně rozmístěných mikropórových defektů, celkově je to výrazně lepší než gaussovská laserová svarová linie. Měření ukázala, že šířka svarové linie je přibližně 18 μm a vzdálenost mezi svarovými čarami je 40 μm. Obrázek (b) ukazuje boční pohled na mikrosnímek linie svaru vzorku.

Je vidět, že mezera mezi vzorky po laserovém zpracování úplně zmizí a materiál v blízkosti rozhraní se po tepelném tavení a ochlazování slil do jediné entity. Měření odhalila, že hloubka laserem indukované oblasti tepelného tavení dosahuje až 227 μm. To naznačuje, že při laserovém svařování s těmito parametry může axiální hloubka ohniska dosáhnout až 227 μm, což je čtyřnásobek oproti gaussovskému laserovému svařování za stejných podmínek.

4. Kde koupit Besselovy čočky?

Wavelength Opto-Electronic vysoce kvalitní nabídky Besselovy čočky které se používají v laserových aplikacích. Laditelnost hloubky ostrosti výstupního paprsku úpravou velikosti průměru vstupního paprsku je nejatraktivnější vlastností tohoto optického systému s Besselovým paprskem.