Metode Desain Balok Bessel

Penulis: Alicia – Insinyur Optik

Editor: Bryan Ng – Manajer Pemasaran

Untuk melelehkan material di kedua sisi antarmuka secara bersamaan dan membentuk ikatan mikro-wilayah berkekuatan tinggi, titik fokus laser harus difokuskan secara tepat pada sampel, yang memberikan tuntutan ketat pada akurasi pemrosesan sistem pengelasan. Selain itu, karena gradien intensitas aksial yang besar dari sinar Gaussian setelah pemfokusan, suhu bidang fokus tidak merata, sehingga rentan membentuk cacat rongga mikro dan nano di wilayah yang terkena laser, yang pada gilirannya memengaruhi kualitas pengelasan sampel.

Teknologi pembentukan cahaya spasial dapat digunakan untuk menghasilkan sinar Bessel orde nol guna mengoptimalkan distribusi intensitas bidang fokus laser. Pendekatan ini mengurangi gradien intensitas aksial dan memperpanjang panjang fokus, sehingga meningkatkan rasio kedalaman terhadap lebar wilayah efek termal yang dibentuk oleh laser. Hasilnya, hal ini mengurangi persyaratan akurasi pemfokusan sistem pengelasan laser, sehingga meningkatkan kualitas dan efisiensi pengelasan.

1. Pembangkitan dan Perancangan Parameter Balok Bessel Non-Difraksi

Pada tahun 1987, Durnin pertama kali mengusulkan berkas Bessel orde nol, yang menunjukkan sifat nondifraksi yang unik: distribusi intensitas medan cahaya transversalnya tetap tidak berubah selama perambatan, dan ukuran titik pusat selalu mendekati batas difraksi. Selain itu, berkas Bessel juga menunjukkan sifat penyembuhan diri selama perambatan. Ketika titik pusat terhalang, cahaya di sekitarnya akan menyatu ke arah pusat untuk "memperbaiki" titik pusat. Ekspresi matematika untuk distribusi medan cahaya transversal dari berkas Bessel orde nol adalah:

Dalam ekspresi:

• J₀ ​mewakili fungsi Bessel orde nol.     
• r dan φ masing-masing adalah elemen koordinat radial dan sudut.
• z merupakan jarak perambatan.
• K_r dan K_z ​adalah elemen vektor gelombang transversal dan longitudinal.

Titik utama pusat dari berkas Bessel orde nol memiliki kemampuan pembatasan yang kuat, yang memungkinkan tingkat penyinaran sebesar TW/cm² atau lebih tinggi, yang secara efektif dapat memicu penyerapan nonlinier dalam material. Yang lebih penting, karakteristik perambatan nondifraksi dari berkas Bessel orde nol memberikan kedalaman fokus yang lebih besar dan gradien intensitas aksial yang lebih kecil, sehingga menciptakan medan suhu yang hampir seragam dan menekan pembentukan cacat pengelasan.

Gambar berikut menunjukkan perbandingan panjang fokus sinar Bessel dan sinar Gaussian dengan kemampuan pembatasan transversal yang sama. Sinar Bessel memiliki kedalaman fokus yang cukup besar dengan tetap mempertahankan diameter titik fokus setingkat mikron transversal.

Ada beberapa metode untuk menghasilkan balok Bessel orde nol, dan tiga metode utama berikut ini umum digunakan:

Metode Bukaan Annular: Metode bukaan annular, seperti namanya, melibatkan penggunaan celah annular untuk menghasilkan berkas Bessel. Ini juga merupakan metode pertama yang berhasil untuk menghasilkan berkas Bessel. Diagram di bawah ini mengilustrasikan metode bukaan annular untuk menghasilkan berkas Bessel. Gelombang bidang datang tegak lurus ke celah annular dari kiri dan terjadi difraksi.

Setelah itu, lensa positif melakukan transformasi Fourier, yang menghasilkan pembentukan berkas Bessel di belakang lensa. Jarak perambatan nondifraksi Zmax terkait dengan diameter d celah annular dan bukaan numerik lensa.

Meskipun metode ini dapat menghasilkan sinar Bessel orde nol, efisiensi konversi energinya sangat rendah, sehingga sulit diterapkan dalam bidang pemrosesan laser.

Metode Modulator Cahaya Spasial: Proses pembangkitan berkas Bessel orde nol pada dasarnya adalah proses pengubahan distribusi fase berkas. Oleh karena itu, berkas Bessel orde nol juga dapat dihasilkan menggunakan modulator cahaya spasial. Modulator cahaya spasial adalah jenis perangkat modulasi optoelektronik yang mengontrol intensitas dan distribusi fase medan cahaya melalui sinyal listrik. Berkas Bessel orde nol dapat dihasilkan dengan menerapkan fase lensa kerucut, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, ke panel kerja modulator cahaya spasial.

Metode Axicon: An akson adalah salah satu elemen difraksi berbasis kaca pasif yang paling umum digunakan untuk menghasilkan berkas Bessel. Ketika berkas Gaussian normalnya datang dan melewati akson, distribusi fasenya termodulasi, mengubahnya menjadi berkas Bessel orde nol tanpa kehilangan energi, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Karena biaya rendah, kemudahan penggunaan, dan ambang batas kerusakan laser yang tinggi dari akson kaca, serta efisiensi penggunaan energinya yang sangat tinggi, akson menjadi pilihan utama untuk menghasilkan sinar Bessel pulsa ultrapendek di bidang pemrosesan laser. Gambar di bawah ini menunjukkan skema penyempitan dan transmisi sinar Bessel orde nol. Dengan menyesuaikan perbesaran dan orientasi sistem pencitraan 4f, jarak perambatan non-difraksi, sudut setengah kerucut, dan sudut kemiringan pada arah perambatan sinar Bessel dapat dikontrol dengan mudah.

Ketika berkas Bessel orde nol dengan sudut setengah kerucut Ɵ1 dan jarak perambatan bebas difraksi Zmax melewati sistem 4f yang terdiri dari lensa (L1) dan lensa objektif (L2), dimensi geometris akan semakin terkompresi. Pembesaran lateral kira-kira M=f1/f2=5, dan pembesaran longitudinal kira-kira M2=25. Dengan demikian, pencitraan akhir berkas Bessel orde nol di dalam sampel dapat direpresentasikan oleh parameter geometris:

Parameter geometris balok Bessel yang dicitrakan di dalam sampel kaca kuarsa di bawah berbagai sudut kerucut dan perbesaran kompresi balok.

Distribusi intensitas medan fokus sinar Bessel

• r ke z: Komponen koordinat radial dan aksial, masing-masing.
• λ: Panjang gelombang pusat laser.
• w: 1/e² radius sinar Gaussian datang.
• P0: Daya puncak laser pulsa ultrapendek.
• β1: Sudut setengah kerucut balok Bessel setelah kompresi balok.
• k: Vektor gelombang.
• J0: Fungsi Bessel orde nol.

Distribusi intensitas sinar Bessel orde nol di dalam kaca kuarsa: Di sebelah kiri adalah distribusi kerapatan daya optik sepanjang arah perambatan dan tampilan penampang, dan di sebelah kanan adalah distribusi kerapatan daya optik sepanjang sumbu dan tampilan penampang.

2. Karakteristik Femtosecond Pulse Beam dalam Kaca Silika Fused

Gambar (a) menunjukkan mikrograf interaksi antara berkas Bessel pulsa femtodetik dan kaca silika lebur pada energi pulsa yang berbeda. Lebar pulsa laser ditetapkan pada 220 fs, dan sudut setengah kerucut berkas Bessel di dalam sampel adalah 12.4°. Dapat diamati bahwa daerah yang terpengaruh laser menunjukkan struktur linier satu dimensi yang khas. Ketika energi pulsa laser kurang dari 9.5 μJ, indeks bias material di daerah fokus meningkat, muncul sebagai daerah hitam dalam mikrograf.

Ketika energi pulsa laser melebihi 9.5 μJ, indeks bias material di daerah fokus menurun, tampak sebagai daerah putih dalam mikrograf, dan panjang daerah putih meningkat dengan meningkatnya energi pulsa. Dengan memoles sampel, kami mengamati karakteristik morfologi daerah putih pada energi pulsa 15.4 μJ di bawah mikroskop elektron pemindaian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (b). Dapat disimpulkan bahwa nanopore dengan diameter sekitar 200 nm terbentuk di daerah dengan indeks bias yang berkurang.

Melalui sistem pengamatan ion beam etching dan mikroskop elektron pemindaian in-situ, kami semakin mengonfirmasi keberadaan nanopore (Gambar c). Oleh karena itu, untuk meminimalkan pembentukan cacat yang disebabkan oleh laser, energi pulsa tunggal tidak boleh melebihi 9.5 μJ selama pengelasan laser.

3. Mencapai Pengelasan Mikro Berkualitas Tinggi Antara Kaca Silika Fused menggunakan Laser Pulsa Ultrapendek Bessel.

Gambar (a) menunjukkan mikrograf tampak atas dari permukaan pengelasan sampel. Dapat dilihat bahwa garis las laser seragam dan halus. Meskipun masih terdapat beberapa cacat mikropori yang terdistribusi secara acak di area yang dilas, secara keseluruhan, hasilnya jauh lebih baik daripada garis las laser Gaussian. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa lebar garis las sekitar 18 μm, dan jarak antar garis las adalah 40 μm. Gambar (b) menunjukkan mikrograf tampak samping dari garis las sampel.

Dapat dilihat bahwa celah antara sampel benar-benar menghilang setelah pemrosesan laser, dan material di dekat antarmuka telah menyatu menjadi satu kesatuan setelah menjalani proses peleburan-pendinginan termal. Pengukuran mengungkapkan bahwa kedalaman wilayah peleburan termal yang diinduksi laser mencapai hingga 227 μm. Ini menunjukkan bahwa selama pengelasan laser dengan parameter ini, kedalaman aksial posisi fokus dapat mencapai hingga 227 μm, yang empat kali lipat dari pengelasan laser Gaussian dalam kondisi yang sama.

4. Di mana Membeli Lensa Bessel?

Wavelength Opto-Electronic menawarkan kualitas tinggi Lensa Bessel yang digunakan dalam aplikasi pemrosesan laser. Kemampuan untuk menyesuaikan kedalaman fokus berkas keluaran dengan menyesuaikan ukuran diameter berkas masukan merupakan fitur paling menarik dari sistem optik berkas Bessel ini.