Bessel Kiriş Tasarım Yöntemleri

Yazar: Alicia – Optik Mühendisi

Editör: Bryan Ng – Pazarlama Müdürü

Arayüzün her iki tarafındaki malzemeleri aynı anda eritmek ve yüksek mukavemetli bir mikro bölge bağı oluşturmak için, lazer odak noktası numuneye tam olarak odaklanmalıdır; bu da kaynak sisteminin işleme doğruluğu üzerinde sıkı talepler getirir. Ayrıca, odaklamadan sonra Gauss ışınının büyük eksenel yoğunluk gradyanı nedeniyle, odak alanı sıcaklığı düzensizdir ve lazerden etkilenen bölgede mikro ve nano boşluk kusurları oluşturmaya eğilimlidir; bu da numunenin kaynak kalitesini etkiler.

Mekansal ışık şekillendirme teknolojisi, lazer odak alanının yoğunluk dağılımını optimize etmek için sıfırıncı mertebeden Bessel ışınları üretmek için kullanılabilir. Bu yaklaşım, eksenel yoğunluk gradyanını azaltır ve odak uzunluğunu uzatır, böylece lazer tarafından oluşturulan termal etki bölgesinin derinlik-genişlik oranını artırır. Sonuç olarak, lazer kaynak sisteminin odaklama doğruluğu gereksinimlerini azaltır, hem kaynak kalitesini hem de verimliliği artırır

1. Kırınım Yapmayan Bessel Kirişlerinin Üretimi ve Parametre Tasarımı

Durnin, 1987'de ilk olarak benzersiz kırılmayan özellikler gösteren sıfırıncı mertebeden Bessel ışınını önerdi: enine ışık alanı yoğunluk dağılımı yayılma sırasında değişmeden kalır ve merkezi noktanın boyutu her zaman kırınım sınırına yakındır. Ek olarak, Bessel ışınları yayılma sırasında kendi kendini iyileştirme özelliği de gösterir. Merkezi nokta engellendiğinde, çevredeki ışık merkezi noktayı "onarmak" için merkeze doğru birleşir. Sıfırıncı mertebeden bir Bessel ışınının enine ışık alanı dağılımının matematiksel ifadesi şudur:

İfadede:

• J₀ sıfırıncı mertebeden Bessel fonksiyonunu temsil eder.     
• r ve φ sırasıyla radyal ve açısal koordinat elemanlarıdır.
• z yayılma mesafesidir.
• K_r ve K_z ​sırasıyla enine ve boyuna dalga vektör elemanlarıdır.

Sıfırıncı mertebeden Bessel ışınının merkezi ana noktası, TW/cm² veya daha yüksek mertebede ışınlama seviyelerine izin veren güçlü bir sınırlama yeteneğine sahiptir ve bu da malzemelerde doğrusal olmayan emilimi etkili bir şekilde uyarabilir. Daha da önemlisi, sıfırıncı mertebeden Bessel ışınlarının kırınım yapmayan yayılma karakteristiği daha büyük bir odak derinliği ve daha küçük bir eksenel yoğunluk gradyanı sağlar, böylece neredeyse tekdüze bir sıcaklık alanı oluşturur ve kaynak kusurlarının oluşumunu bastırır.

Aşağıdaki şekil, aynı enine sınırlama kapasitesi altında Bessel ışınlarının ve Gaussian ışınlarının odak uzaklığının bir karşılaştırmasını göstermektedir. Bessel ışınları, enine mikron düzeyinde bir odak noktası çapını korurken önemli bir odak derinliğine sahiptir.

Sıfırıncı mertebeden Bessel ışınları üretmenin çeşitli yöntemleri vardır ve aşağıdaki üç ana yöntem yaygındır:

Halkasal Açıklık Yöntemi: Adından da anlaşılacağı gibi, halkasal açıklık yöntemi, Bessel ışınları üretmek için halka şeklinde bir yarık kullanmayı içerir. Bu aynı zamanda Bessel ışınları üretmek için ilk başarılı yöntemdi. Aşağıdaki diyagram, Bessel ışınları üretmek için halkasal açıklık yöntemini göstermektedir. Düzlem dalga, soldan halkasal yarığa dik olarak gelir ve kırınım meydana gelir.

Daha sonra, pozitif bir mercek bir Fourier dönüşümü gerçekleştirir ve bu da merceğin arkasında bir Bessel ışınının oluşmasıyla sonuçlanır. Kırınım yapmayan yayılma mesafesi Zmax ​, halka yarığın çapı d ve merceğin sayısal açıklığı ile ilişkilidir.

Bu yöntem sıfırıncı mertebeden Bessel ışınları üretebilmesine rağmen enerji dönüşüm verimi oldukça düşük olduğundan lazer işleme alanlarında uygulanması zordur.

Uzamsal Işık Modülatörü Yöntemi: Sıfırıncı dereceden Bessel ışınının oluşturulma süreci, esasen ışının faz dağılımının değiştirilmesi işlemidir. Bu nedenle, sıfırıncı dereceden Bessel ışını, uzamsal ışık modülatörü kullanılarak da oluşturulabilir. Uzamsal ışık modülatörü, elektrik sinyalleri aracılığıyla ışık alanının yoğunluğunu ve faz dağılımını kontrol eden bir tür optoelektronik modülasyon cihazıdır. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, konik mercek fazı uzamsal ışık modülatörünün çalışma paneline uygulanarak sıfırıncı dereceden Bessel ışını oluşturulabilir.

Axicon yöntemi: An aksikon Bessel ışınları üretmek için en sık kullanılan pasif cam bazlı kırınım elemanlarından biridir. Bir Gauss ışını normalde bir aksikon üzerine düşüp içinden geçtiğinde, faz dağılımı modüle edilir ve aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, herhangi bir enerji kaybı olmadan sıfırıncı mertebeden bir Bessel ışınına dönüşür.

Düşük maliyet, kullanım kolaylığı ve cam aksikonların yüksek lazer hasar eşiği ve ayrıca olağanüstü yüksek enerji kullanım verimliliği nedeniyle, aksikonlar lazer işleme alanında ultra kısa darbeli Bessel ışınları üretmek için birincil tercihtir. Aşağıdaki şekil, sıfırıncı dereceden bir Bessel ışınının ışın daralması ve iletiminin şemasını göstermektedir. 4f görüntüleme sisteminin büyütme ve yönelimini ayarlayarak, kırınımsız yayılma mesafesi, yarım koni açısı ve Bessel ışınının yayılma yönündeki eğim açısı kolayca kontrol edilebilir.

Ɵ1 yarı koni açısına ve Zmax kırınımsız yayılma mesafesine sahip sıfırıncı mertebeden bir Bessel ışını, bir mercek (L4) ve bir objektif mercek (L1) içeren bir 2f sisteminden geçtiğinde, geometrik boyutlar daha da sıkıştırılacaktır. Yanal büyütme yaklaşık olarak M=f1/f2=5'tir ve uzunlamasına büyütme yaklaşık olarak M2=25'tir. Bu nedenle, sıfırıncı mertebeden Bessel ışınının numune içindeki son görüntüsü geometrik parametrelerle temsil edilebilir:

Farklı koni açıları ve ışın sıkıştırma büyütmeleri altında kuvars cam numunesi içerisinde görüntülenen Bessel ışınının geometrik parametreleri.

Bessel ışınının odak alanı yoğunluk dağılımı

• r hem de z: Sırasıyla radyal ve eksenel koordinat bileşenleri.
• λ: Lazerin merkezi dalga boyu.
• w: 1/e² olay Gauss ışınının yarıçapı.
• P0: Ultra kısa darbeli lazerin tepe gücü.
• β1: Kiriş sıkıştırıldıktan sonra Bessel kirişinin yarım koni açısı.
• k: Dalga vektörü.
• J0: Sıfırıncı mertebeden Bessel fonksiyonu.

Kuvars cam içindeki sıfırıncı mertebeden Bessel ışınının yoğunluk dağılımı: Solda yayılma yönü boyunca optik güç yoğunluğu dağılımı ve kesit görünümü, sağda ise eksen boyunca optik güç yoğunluğu dağılımı ve kesit görünümü yer almaktadır.

2. Erimiş Silika Camdaki Femtosaniye Darbeli Bessel Işınının Özellikleri

Şekil (a) femtosaniye darbeli Bessel ışınları ile farklı darbe enerjilerindeki erimiş silika cam arasındaki etkileşimin mikrograflarını göstermektedir. Lazer darbe genişliği 220 fs'de sabitlenmiştir ve numunenin içindeki Bessel ışınının yarı koni açısı 12.4°'dir. Lazerden etkilenen bölgenin tipik bir tek boyutlu doğrusal yapı sergilediği gözlemlenebilir. Lazer darbe enerjisi 9.5 μJ'den az olduğunda, odak bölgesindeki malzemenin kırılma indisi artar ve mikrografta siyah bir bölge olarak görünür.

Lazer darbe enerjisi 9.5 μJ'yi aştığında, odak bölgesindeki malzemenin kırılma indisi azalır, mikrografta beyaz bir bölge olarak görünür ve beyaz bölgenin uzunluğu artan darbe enerjisiyle artar. Örneği parlatarak, Şekil (b)'de gösterildiği gibi, taramalı elektron mikroskobu altında 15.4 μJ'lik bir darbe enerjisinde beyaz bölgenin morfolojik özelliklerini gözlemledik. Kırılma indisi azaltılmış bölgede yaklaşık 200 nm çapında bir nanogözeneğin oluştuğu sonucuna varılabilir.

İyon demeti aşındırma ve yerinde taramalı elektron mikroskobu gözlem sistemleri aracılığıyla nanogözeneğin varlığını daha da doğruladık (Şekil c). Bu nedenle, lazer kaynaklı kusurların oluşumunu en aza indirmek için lazer kaynaklama sırasında tek darbe enerjisi 9.5 μJ'yi geçmemelidir.

3. Bessel Ultra Kısa Darbeli Lazer Kullanılarak Erimiş Silika Camlar Arasında Yüksek Kaliteli Mikro Kaynak Elde Edilmesi.

Şekil (a) numunenin kaynak yüzeyinin üstten görünüm mikrografını göstermektedir. Lazer kaynak hattının düzgün ve pürüzsüz olduğu görülebilir. Kaynaklı alanda hala birkaç rastgele dağılmış mikro gözenek kusuru olmasına rağmen, genel olarak Gauss lazer kaynak hattından önemli ölçüde daha iyidir. Ölçümler, kaynak hattı genişliğinin yaklaşık 18 μm ve kaynak hatları arasındaki boşluğun 40 μm olduğunu göstermektedir. Şekil (b) numunenin kaynak hattının yandan görünüm mikrografını göstermektedir.

Lazer işleme sonrasında numuneler arasındaki boşluğun tamamen ortadan kalktığı ve arayüze yakın malzemenin termal eritme-soğutma işleminden geçtikten sonra tek bir varlık haline geldiği görülebilir. Ölçümler, lazerle oluşturulan termal eritme bölgesinin derinliğinin 227 μm'ye kadar ulaştığını ortaya koymaktadır. Bu, bu parametrelerle lazer kaynaklama sırasında odak konumunun eksenel derinliğinin 227 μm'ye kadar ulaşabileceğini gösterir ki bu, aynı koşullar altında Gauss lazer kaynaklamasının dört katıdır.

4. Bessel Lensler Nereden Alınır?

Wavelength Opto-Electronic yüksek kalite sunar Bessel mercekleri Lazer işleme uygulamalarında kullanılan bu Bessel ışınlı optik sistemin en çekici özelliği, giriş ışın çapının boyutunu ayarlayarak çıkış ışınının odak derinliğinin ayarlanabilmesidir.