Bessel nurlarini loyihalash usullari

Muallif: Alisiya – Optik muhandis

Muharrir: Bryan Ng - Marketing menejeri

Interfeysning ikkala tomonidagi materiallarni bir vaqtning o'zida eritib, yuqori quvvatli mikro-mintaqaviy aloqani o'rnatish uchun lazer markazlashtirilgan nuqta namunaga aniq yo'naltirilgan bo'lishi kerak, bu esa payvandlash tizimining ishlov berish aniqligiga qat'iy talablar qo'yadi. Bundan tashqari, diqqat markazida bo'lgandan keyin Gauss nurining katta eksenel intensivlik gradienti tufayli, fokus maydonining harorati notekis bo'lib, lazer ta'sirlangan hududda mikro va nano-bo'shliqlarni hosil qiladi, bu esa o'z navbatida payvandlash sifatiga ta'sir qiladi. namuna.

Fazoviy yorug'likni shakllantirish texnologiyasi lazer fokus maydonining intensivligini taqsimlashni optimallashtirish uchun nol tartibli Bessel nurlarini yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Ushbu yondashuv eksenel intensivlik gradientini kamaytiradi va fokus uzunligini kengaytiradi, shu bilan lazer tomonidan hosil qilingan termal effekt mintaqasining chuqurlik va kenglik nisbatini oshiradi. Natijada, lazerli payvandlash tizimining fokuslash aniqligi talablarini kamaytiradi, payvandlash sifati va samaradorligini oshiradi.

1. Difraksiyaga uchramaydigan Bessel nurlarini yaratish va parametrlarni loyihalash

1987 yilda Durnin birinchi bo'lib nol tartibli Bessel nurini taklif qildi, bu noyob diffraksiyasiz xususiyatlarni ko'rsatadi: uning ko'ndalang yorug'lik maydoni intensivligi tarqalishi tarqalish vaqtida o'zgarmaydi va markaziy nuqtaning o'lchami har doim diffraktsiya chegarasiga yaqin. Bundan tashqari, Bessel nurlari ko'payish paytida o'z-o'zini davolash xususiyatini ham namoyish etadi. Markaziy nuqta to'siq bo'lganda, atrofdagi yorug'lik markaziy nuqtani "ta'mirlash" uchun markazga to'g'ri keladi. Nolinchi tartibli Bessel nurining ko‘ndalang yorug‘lik maydoni taqsimotining matematik ifodasi:

Ifodada:

• J₀ nol tartibli Bessel funksiyasini ifodalaydi.     
• r va ph mos ravishda radial va burchak koordinata elementlari.
• z - tarqalish masofasi.
• K_r va K._z mos ravishda ko'ndalang va bo'ylama to'lqin vektor elementlari.

Nolinchi tartibli Bessel nurining markaziy asosiy nuqtasi TW/sm² yoki undan yuqori darajadagi nurlanish darajasini ta'minlaydigan kuchli chegaralanish qobiliyatiga ega, bu materiallarda chiziqli bo'lmagan yutilishni samarali qo'zg'atishi mumkin. Eng muhimi, nol tartibli Bessel nurlarining diffraksiyasiz tarqalish xususiyati fokusning kattaroq chuqurligini va kichikroq eksenel intensivlik gradientini ta'minlaydi, bu esa deyarli bir xil harorat maydonini yaratadi va payvandlash nuqsonlarining shakllanishini bostiradi.

Quyidagi rasmda Bessel nurlari va Gauss nurlarining bir xil ko'ndalang chegaralanish qobiliyati ostida fokus uzunligining taqqoslanishi ko'rsatilgan. Bessel nurlari ko'ndalang mikron darajasidagi fokusli nuqta diametrini saqlab qolgan holda sezilarli chuqurlikka ega.

Nolinchi tartibli Bessel nurlarini yaratishning bir necha usullari mavjud va quyidagi uchta asosiy usul keng tarqalgan:

Halqasimon diafragma usuli: Nomidan ko'rinib turibdiki, halqasimon diafragma usuli Bessel nurlarini hosil qilish uchun halqasimon yoriqdan foydalanishni o'z ichiga oladi. Bu, shuningdek, Bessel nurlarini hosil qilishning birinchi muvaffaqiyatli usuli edi. Quyidagi diagrammada Bessel nurlarini hosil qilish uchun halqasimon diafragma usuli ko'rsatilgan. Tekis to'lqin halqasimon yoriqqa chapdan perpendikulyar ravishda tushadi va difraksiya sodir bo'ladi.

Shundan so'ng, musbat linzalar Furye o'zgarishini amalga oshiradi, natijada linza orqasida Bessel nurlari hosil bo'ladi. Zmax diffraktsiyasiz tarqalish masofasi halqali tirqishning diametri d va linzalarning raqamli diafragma bilan bog'liq.

Garchi bu usul nol tartibli Bessel nurlarini yaratishi mumkin bo'lsa-da, energiya konvertatsiya qilish samaradorligi juda past bo'lib, lazerni qayta ishlash sohalarida qo'llashni qiyinlashtiradi.

Fazoviy yorug'lik modulyatori usuli: Nol tartibli Bessel nurini yaratish jarayoni asosan nurning fazaviy taqsimotini o'zgartirish jarayonidir. Shuning uchun, nol tartibli Bessel nurini fazoviy yorug'lik modulyatori yordamida ham yaratish mumkin. Fazoviy yorug'lik modulyatori yorug'lik maydonining intensivligi va elektr signallari orqali fazaviy taqsimotni boshqaradigan optoelektronik modulyatsiya qurilmasining bir turidir. Nol tartibli Bessel nurini quyidagi rasmda ko'rsatilgandek, fazoviy yorug'lik modulyatorining ishchi paneliga konussimon linza fazasini qo'llash orqali yaratish mumkin.

Axicon usuli: An aksikon Bessel nurlarini hosil qilish uchun eng ko'p ishlatiladigan passiv shisha asosidagi difraksion elementlardan biridir. Gauss nuri odatda aksikonga tushsa va undan o'tib ketsa, uning fazaviy taqsimoti modulyatsiya qilinadi va uni quyidagi rasmda ko'rsatilganidek, energiya yo'qotmasdan nol tartibli Bessel nuriga aylantiradi.

Shisha aksikonlarning arzonligi, foydalanish qulayligi va lazer shikastlanishining yuqori chegarasi, shuningdek, energiyadan foydalanishning juda yuqori samaradorligi tufayli aksikonlar lazerni qayta ishlash sohasida ultra qisqa impulsli Bessel nurlarini yaratish uchun asosiy tanlovdir. Quyidagi rasmda nurning torayishi va nol tartibli Bessel nurining uzatilishi sxemasi ko'rsatilgan. 4f tasvirlash tizimining kattalashtirish va yo'nalishini sozlash orqali, diffraktsiyasiz tarqalish masofasi, yarim konusning burchagi va Bessel nurining tarqalish yo'nalishidagi egilish burchagi osongina boshqarilishi mumkin.

Yarim konus burchagi Ɵ1 va diffraktsiyasiz tarqalish masofasi Zmax bo'lgan nol tartibli Bessel nurlari linza (L4) va ob'ektiv linzalardan (L1) tashkil topgan 2f tizimidan o'tganda, geometrik o'lchamlar yanada yuqori bo'ladi. siqilgan. Yon kattalashtirish taxminan M=f1/f2=5, uzunlamasına kattalashtirish esa taxminan M2=25. Shunday qilib, namuna ichidagi nol tartibli Bessel nurining yakuniy tasviri geometrik parametrlar bilan ifodalanishi mumkin:

Bessel nurining geometrik parametrlari kvarts shishasi namunasi ichida turli konusning burchaklari va nurni siqish kattalashtirishlari ostida tasvirlangan.

Bessel nurining fokus maydoni intensivligi taqsimoti

• r va z: Mos ravishda radial va eksenel koordinatalar komponentlari.
• l: lazerning markaziy to'lqin uzunligi.
• w: tushayotgan Gauss nurining 1/e² radiusi.
• P0: ultra qisqa pulsli lazerning eng yuqori quvvati.
• b1: Bessel nurining siqilgandan keyin yarim konusli burchagi.
• k: to'lqin vektori.
• J0: nol tartibli Bessel funksiyasi.

Kvars oynasi ichidagi nol tartibli Bessel nurining intensivlik taqsimoti: Chap tomonda tarqalish yo'nalishi va tasavvurlar ko'rinishi bo'yicha optik quvvat zichligi taqsimoti, o'ngda esa o'q bo'ylab optik quvvat zichligi taqsimoti va ko'ndalang chiziq. qismli ko'rinish

2. Eritilgan silika oynasidagi Femtosekund impulsli Bessel nurining xususiyatlari

Shakl (a) turli impuls energiyalarida femtosekundli impuls Bessel nurlari va eritilgan silika oynasi o'rtasidagi o'zaro ta'sirning mikrografilerini ko'rsatadi. Lazer zarbasining kengligi 220 fs da o'rnatiladi va namuna ichidagi Bessel nurining yarim konus burchagi 12.4 ° ni tashkil qiladi. Ko'rinib turibdiki, lazer ta'sirlangan hudud tipik bir o'lchovli chiziqli tuzilmani namoyish etadi. Lazer impulsining energiyasi 9.5 mkJ dan kam bo'lsa, fokal mintaqadagi materialning sinishi ko'rsatkichi oshib, mikrografiyada qora hudud sifatida ko'rinadi.

Lazer impulsining energiyasi 9.5 mkJ dan oshganda, fokus mintaqasidagi materialning sinishi ko'rsatkichi pasayadi, mikrografiyada oq mintaqa sifatida ko'rinadi va puls energiyasi ortishi bilan oq mintaqaning uzunligi ortadi. Namunani sayqallash orqali biz (b) rasmda ko'rsatilganidek, skanerlovchi elektron mikroskop ostida 15.4 mJ impuls energiyasida oq hududning morfologik xususiyatlarini kuzatdik. Xulosa qilish mumkinki, sinishi ko'rsatkichi pasaygan hududda diametri taxminan 200 nm bo'lgan nanopora hosil bo'ladi.

Ion nurlari bilan ishlov berish va in-situ skanerlash elektron mikroskopni kuzatish tizimlari orqali biz nanoporaning mavjudligini yana tasdiqladik (v-rasm). Shuning uchun, lazer bilan induktsiyalangan nuqsonlarning paydo bo'lishini minimallashtirish uchun lazer bilan payvandlashda bitta impuls energiyasi 9.5 mJ dan oshmasligi kerak.

3. Bessel Ultrashort Pulse Lazer yordamida eritilgan silika ko'zoynaklari o'rtasida yuqori sifatli mikro-payvandlashga erishish.

Shakl (a) namunaning payvandlash yuzasining yuqoridan ko'rinishidagi mikrografiyasini ko'rsatadi. Ko'rinib turibdiki, lazerli payvandlash chizig'i bir xil va silliqdir. Payvandlangan maydonda hali ham bir nechta tasodifiy taqsimlangan mikropore nuqsonlari mavjud bo'lsa-da, umuman olganda, u Gauss lazerli payvandlash chizig'idan sezilarli darajada yaxshiroqdir. O'lchovlar shuni ko'rsatadiki, payvand chizig'ining kengligi taxminan 18 mkm, payvandlash chiziqlari orasidagi masofa esa 40 mkm. (b) rasmda namunaning payvand chizig'ining yon ko'rinishidagi mikrografi ko'rsatilgan.

Ko'rinib turibdiki, lazer bilan ishlov berishdan so'ng namunalar orasidagi bo'shliq butunlay yo'qoladi va interfeys yaqinidagi material termal eritish-sovutish jarayonidan o'tgandan so'ng bitta ob'ektga birlashgan. O'lchovlar shuni ko'rsatadiki, lazer ta'siri ostida termal erish hududining chuqurligi 227 mikrongacha etadi. Bu shuni ko'rsatadiki, ushbu parametrlar bilan lazerli payvandlashda fokus holatining eksenel chuqurligi 227 mkm gacha yetishi mumkin, bu bir xil sharoitlarda Gauss lazerli payvandlashdan to'rt baravar ko'pdir.

4. Bessel linzalarini qayerdan sotib olish mumkin?

Wavelength Opto-Electronic yuqori sifatini taklif etadi Bessel linzalari lazer bilan ishlov berish dasturlarida qo'llaniladi. Kirish nurining diametrining o'lchamini sozlash orqali chiqish nurining fokus chuqurligining sozlanishi ushbu Bessel nurlarining optik tizimining eng jozibali xususiyati hisoblanadi.