Bessel-Strahl-Entwurfsmethoden

Autorin: Alicia – Optik-Ingenieurin

Herausgeber: Bryan Ng – Marketingmanager

Um die Materialien auf beiden Seiten der Schnittstelle gleichzeitig zu schmelzen und eine hochfeste Mikrobereichsverbindung herzustellen, muss der Laserbrennpunkt präzise auf die Probe fokussiert werden, was hohe Anforderungen an die Verarbeitungsgenauigkeit des Schweißsystems stellt. Darüber hinaus ist die Brennfeldtemperatur aufgrund des großen axialen Intensitätsgradienten des Gaußschen Strahls nach der Fokussierung ungleichmäßig, wodurch es anfällig für die Bildung von Mikro- und Nanohohlraumdefekten im vom Laser betroffenen Bereich wird, was wiederum die Schweißqualität der Probe beeinträchtigt.

Mithilfe der räumlichen Lichtformungstechnologie können Bessel-Strahlen nullter Ordnung erzeugt werden, um die Intensitätsverteilung des Laserfokusfelds zu optimieren. Dieser Ansatz reduziert den axialen Intensitätsgradienten und verlängert die Brennweite, wodurch das Tiefen-Breiten-Verhältnis des vom Laser gebildeten thermischen Effektbereichs erhöht wird. Dadurch werden die Anforderungen an die Fokussierungsgenauigkeit des Laserschweißsystems verringert, was sowohl die Schweißqualität als auch die Effizienz verbessert.

1. Erzeugung und Parameterdesign nichtbeugender Besselstrahlen

1987 schlug Durnin erstmals den Bessel-Strahl nullter Ordnung vor, der einzigartige nicht-beugende Eigenschaften aufweist: Seine transversale Lichtfeldintensitätsverteilung bleibt während der Ausbreitung unverändert und die Größe des zentralen Punkts liegt immer nahe der Beugungsgrenze. Darüber hinaus weisen Bessel-Strahlen während der Ausbreitung auch eine selbstheilende Eigenschaft auf. Wenn der zentrale Punkt verdeckt ist, konvergiert das umgebende Licht zur Mitte hin, um den zentralen Punkt zu „reparieren“. Der mathematische Ausdruck für die transversale Lichtfeldverteilung eines Bessel-Strahls nullter Ordnung lautet:

Im Ausdruck:

• J₀ ​stellt die Bessel-Funktion nullter Ordnung dar.     
• r und φ sind die radialen bzw. winkligen Koordinatenelemente.
• z ist die Ausbreitungsdistanz.
• K_r und K_z ​sind die transversalen bzw. longitudinalen Wellenvektorelemente.

Der zentrale Hauptfleck eines Bessel-Strahls nullter Ordnung weist eine starke Einschlussfähigkeit auf, die Bestrahlungsstärken in der Größenordnung von TW/cm² oder höher ermöglicht, wodurch eine nichtlineare Absorption in Materialien effektiv angeregt werden kann. Noch wichtiger ist, dass die nichtbeugende Ausbreitungseigenschaft von Bessel-Strahlen nullter Ordnung eine größere Fokustiefe und einen kleineren axialen Intensitätsgradienten bietet, wodurch ein nahezu gleichmäßiges Temperaturfeld entsteht und die Bildung von Schweißfehlern unterdrückt wird.

Die folgende Abbildung zeigt einen Vergleich der Brennweite von Bessel- und Gauß-Strahlen bei gleicher Quereinschlussfähigkeit. Bessel-Strahlen besitzen eine beträchtliche Fokustiefe, während ihr transversaler Brennfleckdurchmesser im Mikronbereich erhalten bleibt.

Es gibt mehrere Methoden zur Erzeugung von Bessel-Strahlen nullter Ordnung. Die folgenden drei Hauptmethoden sind gebräuchlich:

Ringspaltverfahren: Wie der Name schon sagt, nutzt das Ringspaltverfahren einen ringförmigen Spalt zur Erzeugung von Bessel-Strahlen. Es war die erste erfolgreiche Methode zur Erzeugung von Bessel-Strahlen. Die folgende Abbildung veranschaulicht das Ringspaltverfahren. Eine ebene Welle fällt senkrecht von links auf den ringförmigen Spalt, wodurch Beugung auftritt.

Anschließend führt eine positive Linse eine Fourier-Transformation durch, wodurch hinter der Linse ein Bessel-Strahl entsteht. Die nichtbeugende Ausbreitungsdistanz Zmax hängt vom Durchmesser d des ringförmigen Schlitzes und der numerischen Apertur der Linse ab.

Obwohl mit dieser Methode Bessel-Strahlen nullter Ordnung erzeugt werden können, ist die Effizienz der Energieumwandlung äußerst gering, was die Anwendung in der Laserverarbeitung erschwert.

Methode des räumlichen Lichtmodulators: Die Erzeugung eines Bessel-Strahls nullter Ordnung beruht im Wesentlichen auf der Veränderung der Phasenverteilung des Strahls. Daher lässt sich ein solcher Strahl auch mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators erzeugen. Ein räumlicher Lichtmodulator ist ein optoelektronisches Modulationsgerät, das die Intensität und Phasenverteilung des Lichtfelds über elektrische Signale steuert. Ein Bessel-Strahl nullter Ordnung kann erzeugt werden, indem die Phase einer Kegellinse, wie in der Abbildung unten dargestellt, auf die Arbeitsfläche des räumlichen Lichtmodulators angewendet wird.

Axicon-Methode: An Axikon Das Axikon ist eines der am häufigsten verwendeten passiven, glasbasierten Beugungselemente zur Erzeugung von Bessel-Strahlen. Wenn ein Gaußscher Strahl senkrecht auf ein Axikon trifft und dieses durchdringt, wird seine Phasenverteilung moduliert und er verlustfrei in einen Bessel-Strahl nullter Ordnung umgewandelt, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Aufgrund der geringen Kosten, der einfachen Handhabung und der hohen Laserzerstörschwelle von Glasaxicons sowie ihrer außergewöhnlich hohen Energienutzungseffizienz sind Axicons die erste Wahl für die Erzeugung ultrakurzer Bessel-Strahlimpulse im Bereich der Laserbearbeitung. Die folgende Abbildung zeigt schematisch die Strahlverengung und -übertragung eines Bessel-Strahls nullter Ordnung. Durch Anpassen der Vergrößerung und Ausrichtung des 4f-Abbildungssystems können die nicht-beugende Ausbreitungsdistanz, der Halbkegelwinkel und der Neigungswinkel in Ausbreitungsrichtung des Bessel-Strahls leicht gesteuert werden.

Wenn ein Bessel-Strahl nullter Ordnung mit einem Halbkegelwinkel von Ɵ1 und einer beugungsfreien Ausbreitungsdistanz von Zmax durch ein 4f-System aus einer Linse (L1) und einer Objektivlinse (L2) läuft, werden die geometrischen Abmessungen weiter komprimiert. Die seitliche Vergrößerung beträgt ungefähr M=f1/f2=5 und die longitudinale Vergrößerung ungefähr M2=25. Somit kann die endgültige Abbildung des Bessel-Strahls nullter Ordnung innerhalb der Probe durch die geometrischen Parameter dargestellt werden:

Geometrische Parameter des Bessel-Strahls, abgebildet innerhalb einer Quarzglasprobe unter verschiedenen Kegelwinkeln und Strahlkompressionsvergrößerungen.

Fokusfeldintensitätsverteilung eines Bessel-Strahls

• r und z: Radiale und axiale Koordinatenkomponenten.
• λ: Zentrale Wellenlänge des Lasers.
• w: 1/e² Radius des einfallenden Gaußschen Strahls.
• P0: Spitzenleistung des Ultrakurzpulslasers.
• β1: Halber Kegelwinkel des Bessel-Strahls nach der Strahlkompression.
• k: Wellenvektor.
• J0: Bessel-Funktion nullter Ordnung.

Intensitätsverteilung des Besselstrahls nullter Ordnung im Quarzglas: Links die optische Leistungsdichteverteilung entlang der Ausbreitungsrichtung und der Querschnitt, rechts die optische Leistungsdichteverteilung entlang der Achse und der Querschnitt

2. Eigenschaften des Femtosekundenpuls-Besselstrahls in Quarzglas

Abbildung (a) zeigt die Mikrofotografien der Wechselwirkung zwischen Femtosekundenpuls-Besselstrahlen und Quarzglas bei unterschiedlichen Pulsenergien. Die Laserpulsbreite ist auf 220 fs festgelegt und der Halbkegelwinkel des Besselstrahls innerhalb der Probe beträgt 12.4°. Es ist zu beobachten, dass der vom Laser betroffene Bereich eine typische eindimensionale lineare Struktur aufweist. Wenn die Laserpulsenergie weniger als 9.5 μJ beträgt, erhöht sich der Brechungsindex des Materials im Brennpunktbereich, was in der Mikrofotografie als schwarzer Bereich erscheint.

Wenn die Laserpulsenergie 9.5 μJ übersteigt, nimmt der Brechungsindex des Materials im Brennpunktbereich ab, was in der Mikrofotografie als weißer Bereich erscheint, und die Länge des weißen Bereichs nimmt mit zunehmender Pulsenergie zu. Durch Polieren der Probe beobachteten wir die morphologischen Eigenschaften des weißen Bereichs bei einer Pulsenergie von 15.4 μJ unter einem Rasterelektronenmikroskop, wie in Abbildung (b) dargestellt. Daraus lässt sich schließen, dass sich im Bereich mit reduziertem Brechungsindex eine Nanopore mit einem Durchmesser von etwa 200 nm bildet.

Durch Ionenstrahlätzen und In-situ-Rasterelektronenmikroskop-Beobachtungssysteme konnten wir das Vorhandensein der Nanopore weiter bestätigen (Abbildung c). Um die Entstehung laserinduzierter Defekte zu minimieren, sollte die Einzelpulsenergie beim Laserschweißen 9.5 μJ nicht überschreiten.

3. Erreichen hochwertiger Mikroschweißungen zwischen Quarzglas mit dem Bessel-Ultrakurzpulslaser.

Abbildung (a) zeigt eine Draufsicht auf die Schweißoberfläche der Probe. Man kann erkennen, dass die Laserschweißlinie gleichmäßig und glatt ist. Obwohl es im Schweißbereich noch einige zufällig verteilte Mikroporendefekte gibt, ist sie insgesamt deutlich besser als die Gaußsche Laserschweißlinie. Messungen zeigen, dass die Schweißlinienbreite ungefähr 18 μm beträgt und der Abstand zwischen den Schweißlinien 40 μm beträgt. Abbildung (b) zeigt eine Seitenansicht der Schweißlinie der Probe.

Es ist ersichtlich, dass der Spalt zwischen den Proben nach der Laserbearbeitung vollständig verschwindet und das Material in der Nähe der Schnittstelle nach dem thermischen Schmelz-Abkühlungsprozess zu einer Einheit verschmolzen ist. Messungen zeigen, dass die Tiefe des laserinduzierten thermischen Schmelzbereichs bis zu 227 μm erreicht. Dies deutet darauf hin, dass beim Laserschweißen mit diesen Parametern die axiale Tiefe der Brennpunktposition bis zu 227 μm erreichen kann, was dem Vierfachen des Gaußschen Laserschweißens unter denselben Bedingungen entspricht.

4. Wo kann man Bessel-Linsen kaufen?

Wavelength Opto-Electronic bietet hochwertige Bessel-Linsen Diese Systeme werden in der Laserbearbeitung eingesetzt. Die Einstellbarkeit der Schärfentiefe des Ausgangsstrahls durch Anpassung des Eingangsstrahldurchmessers ist das attraktivste Merkmal dieses optischen Bessel-Strahl-Systems.