Métodos de diseño de vigas de Bessel

Autora: Alicia – Ingeniera óptica

Editor: Bryan Ng – Gerente de marketing

Para fundir simultáneamente los materiales en ambos lados de la interfaz y establecer una unión de microrregión de alta resistencia, el punto focal del láser debe estar enfocado con precisión en la muestra, lo que impone exigencias estrictas en cuanto a la precisión de procesamiento del sistema de soldadura. Además, debido al gran gradiente de intensidad axial del haz gaussiano después del enfoque, la temperatura del campo focal es desigual, lo que lo hace propenso a formar defectos de micro y nanovacíos en la región afectada por el láser, lo que a su vez afecta la calidad de la soldadura de la muestra.

La tecnología de modelado de luz espacial se puede utilizar para generar haces de Bessel de orden cero para optimizar la distribución de intensidad del campo focal del láser. Este enfoque reduce el gradiente de intensidad axial y extiende la longitud focal, lo que aumenta la relación profundidad-ancho de la región de efecto térmico formada por el láser. Como resultado, reduce los requisitos de precisión de enfoque del sistema de soldadura láser, lo que mejora tanto la calidad como la eficiencia de la soldadura.

1. Generación y diseño de parámetros de haces de Bessel no difractantes

En 1987, Durnin propuso por primera vez el haz de Bessel de orden cero, que muestra propiedades únicas de no difracción: su distribución de intensidad de campo de luz transversal permanece inalterada durante la propagación y el tamaño del punto central siempre está cerca del límite de difracción. Además, los haces de Bessel también muestran una propiedad de autocuración durante la propagación. Cuando el punto central está obstruido, la luz circundante convergerá hacia el centro para "reparar" el punto central. La expresión matemática para la distribución de campo de luz transversal de un haz de Bessel de orden cero es:

En la expresión:

• J₀ ​representa la función de Bessel de orden cero.     
• r y φ son los elementos de coordenadas radiales y angulares, respectivamente.
• z es la distancia de propagación.
• K_r Y K_z son los elementos del vector de onda transversal y longitudinal, respectivamente.

El punto principal central de un haz de Bessel de orden cero tiene una gran capacidad de confinamiento, lo que permite niveles de irradiación del orden de TW/cm² o superiores, que pueden excitar eficazmente la absorción no lineal en los materiales. Más importante aún, la característica de propagación no difractiva de los haces de Bessel de orden cero proporciona una mayor profundidad de foco y un gradiente de intensidad axial más pequeño, lo que crea un campo de temperatura casi uniforme y suprime la formación de defectos de soldadura.

La siguiente figura muestra una comparación de la longitud focal de los haces de Bessel y los haces gaussianos bajo la misma capacidad de confinamiento transversal. Los haces de Bessel poseen una profundidad de foco considerable mientras mantienen un diámetro de punto focal transversal de nivel micrométrico.

Existen varios métodos para generar vigas de Bessel de orden cero, y los tres métodos principales siguientes son comunes:

Método de apertura anular: Como su nombre indica, este método utiliza una rendija anular para generar haces de Bessel. Fue el primer método exitoso para generar dichos haces. El diagrama a continuación ilustra el método de apertura anular para generar haces de Bessel. Una onda plana incide perpendicularmente sobre la rendija anular desde la izquierda, produciéndose la difracción.

Posteriormente, una lente positiva realiza una transformada de Fourier, lo que da como resultado la formación de un haz de Bessel detrás de la lente. La distancia de propagación no difractante Zmax está relacionada con el diámetro d de la ranura anular y la apertura numérica de la lente.

Aunque este método puede generar haces de Bessel de orden cero, la eficiencia de conversión de energía es extremadamente baja, lo que dificulta su aplicación en los campos de procesamiento láser.

Método del modulador espacial de luz: La generación de un haz de Bessel de orden cero consiste esencialmente en modificar la distribución de fase del haz. Por lo tanto, también se puede generar un haz de Bessel de orden cero mediante un modulador espacial de luz. Un modulador espacial de luz es un dispositivo de modulación optoelectrónica que controla la intensidad y la distribución de fase del campo de luz mediante señales eléctricas. Se puede generar un haz de Bessel de orden cero aplicando la fase de la lente cónica, como se muestra en la figura siguiente, al panel de trabajo del modulador espacial de luz.

Método Axicon: An axicon Es uno de los elementos difractivos pasivos basados ​​en vidrio más utilizados para generar haces de Bessel. Cuando un haz gaussiano incide y atraviesa un axicón, su distribución de fase se modula, transformándolo en un haz de Bessel de orden cero sin pérdida de energía, como se muestra en la figura siguiente.

Debido al bajo costo, la facilidad de uso y el alto umbral de daño por láser de los axicones de vidrio, así como a su eficiencia de utilización de energía excepcionalmente alta, los axicones son la opción principal para generar haces de Bessel de pulsos ultracortos en el campo del procesamiento láser. La figura siguiente muestra un esquema del estrechamiento y la transmisión del haz de Bessel de orden cero. Al ajustar el aumento y la orientación del sistema de imágenes 4f, se pueden controlar fácilmente la distancia de propagación no difractiva, el ángulo de semicono y el ángulo de inclinación en la dirección de propagación del haz de Bessel.

Cuando un haz de Bessel de orden cero con un ángulo de semicono de Ɵ1 y una distancia de propagación libre de difracción de Zmax pasa a través de un sistema 4f compuesto por una lente (L1) y una lente objetivo (L2), las dimensiones geométricas se comprimirán aún más. La ampliación lateral es aproximadamente M=f1/f2=5, y la ampliación longitudinal es aproximadamente M2=25. Por lo tanto, la imagen final del haz de Bessel de orden cero dentro de la muestra se puede representar mediante los parámetros geométricos:

Parámetros geométricos del haz de Bessel obtenidos dentro de una muestra de vidrio de cuarzo bajo diferentes ángulos de cono y aumentos de compresión del haz.

Distribución de la intensidad del campo focal de un haz de Bessel

• r y z:Componentes de coordenadas radiales y axiales, respectivamente.
• λ: Longitud de onda central del láser.
• w: 1/e² radio del haz gaussiano incidente.
• P0: Potencia máxima del láser de pulso ultracorto.
• β1: Ángulo de semicono de la viga de Bessel después de la compresión de la viga.
• k: Vector de onda.
• J0: Función de Bessel de orden cero.

Distribución de intensidad del haz de Bessel de orden cero dentro de un vidrio de cuarzo: a la izquierda se muestra la distribución de densidad de potencia óptica a lo largo de la dirección de propagación y la vista en sección transversal, y a la derecha se muestra la distribución de densidad de potencia óptica a lo largo del eje y la vista en sección transversal.

2. Características del haz de Bessel pulsado por femtosegundos en vidrio de sílice fundido

La figura (a) muestra las micrografías de la interacción entre los haces de Bessel con pulsos de femtosegundos y el vidrio de sílice fundido a diferentes energías de pulso. El ancho del pulso láser se fija en 220 fs y el ángulo de semicono del haz de Bessel dentro de la muestra es de 12.4°. Se puede observar que la región afectada por el láser exhibe una estructura lineal unidimensional típica. Cuando la energía del pulso láser es inferior a 9.5 μJ, el índice de refracción del material en la región focal aumenta y aparece como una región negra en la micrografía.

Cuando la energía del pulso láser supera los 9.5 μJ, el índice de refracción del material en la región focal disminuye, apareciendo como una región blanca en la micrografía, y la longitud de la región blanca aumenta con el aumento de la energía del pulso. Al pulir la muestra, observamos las características morfológicas de la región blanca a una energía de pulso de 15.4 μJ bajo un microscopio electrónico de barrido, como se muestra en la Figura (b). Se puede concluir que se forma un nanoporo con un diámetro de aproximadamente 200 nm en la región con un índice de refracción reducido.

Mediante sistemas de observación in situ con microscopio electrónico de barrido y grabado con haz de iones, confirmamos además la presencia del nanoporo (Figura c). Por lo tanto, para minimizar la generación de defectos inducidos por láser, la energía del pulso único no debe superar los 9.5 μJ durante la soldadura láser.

3. Consecución de microsoldadura de alta calidad entre vidrios de sílice fundidos utilizando el láser de pulso ultracorto Bessel.

La figura (a) muestra una micrografía de vista superior de la superficie de soldadura de la muestra. Se puede ver que la línea de soldadura láser es uniforme y suave. Aunque todavía hay algunos defectos de microporos distribuidos aleatoriamente en el área soldada, en general, es significativamente mejor que la línea de soldadura láser gaussiana. Las mediciones muestran que el ancho de la línea de soldadura es de aproximadamente 18 μm y el espaciado entre líneas de soldadura es de 40 μm. La figura (b) muestra una micrografía de vista lateral de la línea de soldadura de la muestra.

Se puede observar que el espacio entre las muestras desaparece por completo después del procesamiento láser y que el material cerca de la interfaz se ha fusionado en una sola entidad después de someterse al proceso de fusión térmica y enfriamiento. Las mediciones revelan que la profundidad de la región de fusión térmica inducida por láser alcanza hasta 227 μm. Esto indica que durante la soldadura láser con estos parámetros, la profundidad axial de la posición focal puede alcanzar hasta 227 μm, que es cuatro veces la de la soldadura láser gaussiana en las mismas condiciones.

4. ¿Dónde comprar lentes Bessel?

Wavelength Opto-Electronic ofrece alta calidad lentes de Bessel que se utilizan en aplicaciones de procesamiento láser. La posibilidad de ajustar la profundidad de foco del haz de salida mediante el ajuste del diámetro del haz de entrada es la característica más atractiva de este sistema óptico de haz Bessel.