ベッセルビーム設計法

著者：アリシア – 光学エンジニア

編集者: Bryan Ng – マーケティング マネージャー

界面の両側の材料を同時に溶融し、高強度の微小領域結合を確立するには、レーザー焦点をサンプルに正確に焦点を合わせる必要があり、溶接システムの処理精度に厳しい要求が課せられます。さらに、焦点を合わせた後のガウスビームの軸方向の強度勾配が大きいため、焦点フィールドの温度が不均一になり、レーザーの影響を受けた領域にマイクロボイドやナノボイドの欠陥が形成されやすくなり、サンプルの溶接品質に影響を及ぼします。

空間光成形技術は、ゼロ次ベッセルビームを生成して、レーザー焦点場の強度分布を最適化するために使用できます。このアプローチは、軸方向の強度勾配を減らし、焦点距離を延長し、それによってレーザーによって形成される熱効果領域の深さと幅の比を増加させます。その結果、レーザー溶接システムの焦点精度要件が軽減され、溶接品質と効率の両方が向上します。

1. 非回折ベッセルビームの生成とパラメータ設計

1987 年にダーニンは、ゼロ次ベッセルビームを初めて提案しました。このビームは、ユニークな非回折特性を示します。つまり、横方向の光場の強度分布は伝播中に変化せず、中心点のサイズは常に回折限界に近くなります。さらに、ベッセルビームは伝播中に自己修復特性も示します。中心点が遮られると、周囲の光が中心に向かって収束し、中心点を「修復」します。ゼロ次ベッセルビームの横方向の光場分布の数式は次のとおりです。

次の式では:

• J₀ ゼロ次ベッセル関数を表します。     
• r と φ はそれぞれ半径と角度の座標要素です。
• zは伝播距離です。
• K_r とK_z それぞれ横方向と縦方向の波動ベクトル要素です。

ゼロ次ベッセルビームの中央のメインスポットは強力な閉じ込め能力を備えており、TW/cm² 以上の照射レベルを可能にし、材料の非線形吸収を効果的に励起することができます。さらに重要なことは、ゼロ次ベッセルビームの非回折伝播特性により、焦点深度が深くなり、軸方向の強度勾配が小さくなるため、ほぼ均一な温度場が形成され、溶接欠陥の形成が抑制されることです。

次の図は、同じ横方向の閉じ込め能力におけるベッセルビームとガウスビームの焦点距離の比較を示しています。ベッセルビームは、横方向の焦点スポット径をミクロンレベルで維持しながら、かなりの焦点深度を備えています。

ゼロ次ベッセルビームを生成する方法はいくつかありますが、主に次の 3 つの方法が一般的です。

環状開口法：環状開口法は、その名の通り、環状スリットを用いてベッセルビームを生成する方法です。これは、ベッセルビームを生成する最初の成功した方法でもありました。下の図は、ベッセルビームを生成するための環状開口法を示しています。平面波が左側から環状スリットに垂直に入射し、回折が起こります。

その後、正レンズがフーリエ変換を実行し、レンズの後ろにベッセルビームが形成されます。非回折伝播距離 Zmax は、環状スリットの直径 d とレンズの開口数に関連しています。

この方式はゼロ次ベッセルビームを生成できるものの、エネルギー変換効率が極めて低いため、レーザー加工分野への応用は困難です。

空間光変調器方式：ゼロ次ベッセルビームの生成プロセスは、本質的にビームの位相分布を変化させるプロセスです。したがって、空間光変調器を用いてゼロ次ベッセルビームを生成することもできます。空間光変調器は、電気信号によって光場の強度と位相分布を制御する光電子変調デバイスの一種です。下図に示すように、円錐レンズの位相を空間光変調器の動作パネルに適用することで、ゼロ次ベッセルビームを生成できます。

アキシコン方式: An アキシコン ベッセルビームを生成するために最も一般的に用いられるガラスベースのパッシブ回折素子の一つです。ガウスビームがアキシコンに垂直に入射し、通過すると、その位相分布が変調され、エネルギー損失のないゼロ次ベッセルビームに変換されます（下図参照）。

ガラスアキシコンは、低コスト、使いやすさ、レーザー損傷閾値の高さ、および並外れて高いエネルギー利用効率のため、レーザー加工の分野で超短パルスベッセルビームを生成するための第一の選択肢となっています。下の図は、ゼロ次ベッセルビームのビーム狭窄と透過の概略図を示しています。4f イメージングシステムの倍率と方向を調整することで、ベッセルビームの非回折伝播距離、半円錐角、伝播方向の傾斜角を簡単に制御できます。

半円錐角が Ɵ1、回折のない伝播距離が Zmax のゼロ次ベッセルビームが、レンズ (L4) と対物レンズ (L1) で構成される 2f システムを通過すると、幾何学的寸法がさらに圧縮されます。横方向の倍率はおよそ M=f1/f2=5、縦方向の倍率はおよそ M2=25 です。したがって、サンプル内のゼロ次ベッセルビームの最終的な画像は、幾何学的パラメータで表すことができます。

異なる円錐角とビーム圧縮倍率で石英ガラスサンプル内に画像化されたベッセルビームの幾何学的パラメータ。

ベッセルビームの焦点場強度分布

• r (NAIST) と z: それぞれ半径方向と軸方向の座標成分。
• λ: レーザーの中心波長。
• w: 入射ガウスビームの1/e²半径。
• P0: 超短パルスレーザーのピーク出力。
• β1: ビーム圧縮後のベッセルビームの半円錐角。
• k: 波数ベクトル。
• J0: ゼロ次ベッセル関数。

石英ガラス内部のゼロ次ベッセルビームの強度分布：左側は伝播方向に沿った光パワー密度分布と断面図、右側は軸方向に沿った光パワー密度分布と断面図

2. 溶融石英ガラスにおけるフェムト秒パルスベッセルビームの特性

図 (a) は、異なるパルスエネルギーにおけるフェムト秒パルスベッセルビームと溶融シリカガラスとの相互作用の顕微鏡写真を示しています。レーザーパルス幅は 220 fs に固定されており、サンプル内のベッセルビームの半円錐角は 12.4° です。レーザーの影響を受けた領域は、典型的な 9.5 次元線形構造を示していることがわかります。レーザーパルスエネルギーが XNUMX μJ 未満の場合、焦点領域の材料の屈折率が増加し、顕微鏡写真では黒い領域として表示されます。

レーザーパルスエネルギーが9.5μJを超えると、焦点領域の材料の屈折率が低下し、顕微鏡写真では白い領域として現れ、白い領域の長さはパルスエネルギーの増加とともに増加します。サンプルを研磨することにより、図(b)に示すように、走査型電子顕微鏡でパルスエネルギー15.4μJでの白い領域の形態学的特徴を観察しました。屈折率が低下した領域に直径約200nmのナノポアが形成されていると結論付けることができます。

イオンビームエッチングとその場走査型電子顕微鏡観察システムにより、ナノポアの存在をさらに確認しました（図c）。したがって、レーザー誘起欠陥の発生を最小限に抑えるためには、レーザー溶接中の単一パルスエネルギーが9.5μJを超えないようにする必要があります。

3. ベッセル超短パルスレーザーを使用した石英ガラス間の高品質マイクロ溶接の実現。

図 (a) はサンプルの溶接面を上から見た顕微鏡写真です。レーザー溶接線が均一で滑らかであることがわかります。溶接領域にはまだランダムに分布した微細孔欠陥がいくつかありますが、全体的にはガウスレーザー溶接線よりも大幅に優れています。測定によると、溶接線の幅は約 18 μm、溶接線間の間隔は 40 μm です。図 (b) はサンプルの溶接線の側面顕微鏡写真です。

レーザー加工後、サンプル間の隙間が完全になくなり、界面付近の材料が熱溶融冷却プロセスを経て一体化していることがわかります。測定により、レーザー誘起熱溶融領域の深さは最大 227 μm に達することがわかりました。これは、これらのパラメータでのレーザー溶接中に、焦点位置の軸方向の深さが最大 ​​227 μm に達する可能性があることを示しており、これは同じ条件でのガウスレーザー溶接の XNUMX 倍です。

4. ベッセルレンズはどこで購入できますか?

Wavelength Opto-Electronic 高品質を提供 ベッセルレンズ レーザー加工用途で使用されるベッセルビーム光学系。入力ビーム径を調整することで出力ビームの焦点深度を調整できることが、このベッセルビーム光学系の最大の魅力です。