Bessel habeen diseinu metodoak

Interfazearen bi aldeetako materialak aldi berean urtzeko eta mikroeskualde lotura sendo bat ezartzeko, laser foku-puntua zehaztasunez fokatu behar da laginaren gainean, eta horrek soldadura-sistemaren prozesatzeko zehaztasunari eskakizun zorrotzak ezartzen dizkio. Gainera, fokatu ondoren Gauss-en izpiaren intentsitate axialaren gradiente handia dela eta, foku-eremuaren tenperatura irregularra da, eta horrek mikro- eta nano-hutsune akatsak sor ditzake laserrak eragindako eskualdean, eta horrek, aldi berean, laginaren soldadura-kalitatean eragiten du.

Argiaren moldaketa espazialaren teknologia erabil daiteke zero ordenako Bessel izpiak sortzeko, laser foku-eremuaren intentsitate-banaketa optimizatzeko. Ikuspegi honek intentsitate axialaren gradientea murrizten du eta foku-distantzia luzatzen du, eta horrela laserrak eratutako efektu termikoaren eskualdearen sakonera-zabalera erlazioa handitzen du. Ondorioz, laser bidezko soldadura-sistemaren fokatze-zehaztasunaren eskakizunak murrizten ditu, soldaduraren kalitatea eta eraginkortasuna hobetuz.

1. Bessel habe ez-difraktatzaileen sorrera eta parametroen diseinua

1987an, Durninek lehen aldiz proposatu zuen zero ordenako Bessel izpia, eta propietate ez-difraktante bereziak erakusten ditu: zeharkako argi-eremuaren intentsitatearen banaketa ez da aldatzen hedapenean zehar, eta erdiko orbanaren tamaina beti dago difrakzio-mugaren ondoan. Horrez gain, Bessel izpiek auto-sendatzeko propietatea ere erakusten dute hedapenean zehar. Erdiko orbana oztopatzen denean, inguruko argia erdigunerantz konbergituko da erdiko orbana "konpontzeko". Zero ordenako Bessel izpi baten zeharkako argi-eremuaren banaketaren adierazpen matematikoa hau da:

Adierazpenean:

• J0-k zero ordenako Bessel funtzioa adierazten du.
• r eta φ koordenatu erradial eta angeluarreko elementuak dira, hurrenez hurren.
• z hedapen-distantzia da.
• Kr eta Kz zeharkako eta luzetarako uhin-bektore elementuak dira, hurrenez hurren.

Zero ordenako Bessel habe baten erdiko puntu nagusiak konfinamendu gaitasun handia du, TW/cm²-ko edo handiagoak diren irradiazio mailak ahalbidetuz, eta horrek materialetan xurgapen ez-lineala eraginkortasunez kitzikatu dezake. Garrantzitsuagoa dena, zero ordenako Bessel habeen hedapen ez-difraktantearen ezaugarriak foku-sakonera handiagoa eta intentsitate axialaren gradiente txikiagoa eskaintzen ditu, horrela tenperatura-eremu ia uniformea ​​sortuz eta soldadura-akatsen eraketa saihestuz.

Hurrengo irudiak Bessel habeen eta Gauss habeen foku-distantziaren konparaketa erakusten du, zeharkako konfinamendu-ahalmen beraren pean. Bessel habeek foku-sakonera handia dute, zeharkako mikra-mailako foku-puntuaren diametroa mantenduz.

Hainbat metodo daude zero ordenako Bessel habeak sortzeko, eta hiru metodo nagusi hauek dira ohikoenak:

Eraztun-irekiduraren metodoa: Eraztun-irekiduraren metodoak, izenak dioen bezala, eraztun-zirrikitu bat erabiltzean datza Bessel habeak sortzeko. Hau izan zen, halaber, Bessel habeak sortzeko lehen metodo arrakastatsua. Beheko diagramak Bessel habeak sortzeko eraztun-irekiduraren metodoa ilustratzen du. Uhin lau bat perpendikularki eragiten dio eraztun-zirrikituari ezkerretik eta difrakzioa gertatzen da.

Ondoren, lente positibo batek Fourier transformatu bat egiten du, eta horren ondorioz Bessel izpi bat sortzen da lentearen atzean. Zmax hedapen-distantzia ez-difraktantea zirrikitu eraztunaren d diametroarekin eta lentearen irekidura numerikoarekin erlazionatuta dago.

Metodo honek zero ordenako Bessel habeak sor ditzakeen arren, energia-bihurketaren eraginkortasuna oso baxua da, eta horrek zaildu egiten du laser prozesatzeko eremuetan aplikatzea.

Argi Modulatzaile Espazialaren metodoa: Zero ordenako Bessel izpi baten sorrera prozesua funtsean izpiaren fase-banaketa aldatzeko prozesu bat da. Beraz, zero ordenako Bessel izpi bat ere sor daiteke argi modulatzaile espazial bat erabiliz. Argi modulatzaile espaziala modulazio optoelektronikoko gailu mota bat da, argi-eremuaren intentsitatea eta fase-banaketa seinale elektrikoen bidez kontrolatzen duena. Zero ordenako Bessel izpi bat sor daiteke beheko irudian erakusten den bezala lente konikoaren fasea argi modulatzaile espazialaren lan-panelean aplikatuz.

Axicon metodoa: Axicon bat Bessel habeak sortzeko beira-oinarritutako elementu difraktibo pasibo erabilienetako bat da. Gauss-en habe bat axicon baten gainean erasatean eta zeharkatzen duenean, bere fase-banaketa modulatzen da, zero ordenako Bessel habe bihurtuz energia-galerarik gabe, beheko irudian erakusten den bezala.

Beirazko axikonen kostu baxua, erabiltzeko erraztasuna eta laser kalteen atalase altua direla eta, baita energia-erabilera eraginkortasun izugarri altua dutelako ere, axikonak dira laser prozesamenduaren arloan pultsu ultramotzeko Bessel izpiak sortzeko lehen aukera. Beheko irudiak zero ordenako Bessel izpi baten izpiaren estutzearen eta transmisioaren eskema bat erakusten du. 4f irudi-sistemaren handitzea eta orientazioa doituz, erraz kontrola daitezke difrakzio gabeko hedapen-distantzia, erdi-konoaren angelua eta Bessel izpiaren hedapen-norabideko inklinazio-angelua.

Ɵ1 erdi-kono angelua eta Zmax difrakzio gabeko hedapen-distantzia duen zero ordenako Bessel izpi bat lente batez (L1) eta lente objektibo batez (L2) osatutako 4f sistema batetik igarotzen denean, dimentsio geometrikoak are gehiago konprimituko dira. Alboko handitzea gutxi gorabehera M=f1/f2=5 da, eta luzetarako handitzea gutxi gorabehera M2=25. Horrela, laginaren barruko zero ordenako Bessel izpiaren azken irudia parametro geometriko hauekin irudika daiteke:

Bessel izpiaren parametro geometrikoak kuartzozko beirazko lagin baten barruan irudikatuta, kono-angelu eta izpi-konpresio handitze desberdinen pean.

Bessel izpi baten foku-eremuaren intentsitatearen banaketa

• r eta z: Koordenatu erradialen eta axialen osagaiak, hurrenez hurren.
• λ: Laseraren uhin-luzera zentrala.
• w: erasile gaussiar izpiaren 1/e² erradioa.
• P0: Pultsu ultralaburretako laserraren potentzia maximoa.
• β1: Bessel habearen erdi-kono angelua habe-konpresioaren ondoren.
• k: Uhin bektorea.
• J0: Zero ordenako Bessel funtzioa.

Bessel izpiaren intentsitate-banaketa zero ordenakoa kuartzozko beiraren barruan: Ezkerrean potentzia optikoaren dentsitatearen banaketa hedapen-norabidean zehar eta zeharkako ikuspegia ageri dira, eta eskuinean potentzia optikoaren dentsitatearen banaketa ardatzean zehar eta zeharkako ikuspegia.

2. Femtosegundoko pultsu Bessel izpiaren ezaugarriak silize urtuzko beiran

(a) irudiak femtosegundoko pultsuko Bessel habeen eta silize urtuzko beiraren arteko elkarrekintzaren mikrografiak erakusten ditu pultsu-energia desberdinetan. Laser pultsuaren zabalera 220 fs-tan finkatuta dago, eta laginaren barruko Bessel habearen erdi-kono angelua 12,4°-koa da. Ikus daiteke laserrak eragindako eskualdeak ohiko dimentsio bakarreko egitura lineala duela. Laser pultsuaren energia 9,5 μJ baino txikiagoa denean, foku-eskualdeko materialaren errefrakzio-indizea handitzen da, mikrografian eskualde beltz gisa agertuz.

Laser pultsuaren energia 9,5 μJ-tik gorakoa denean, foku-eskualdeko materialaren errefrakzio-indizea gutxitu egiten da, mikrografian eskualde zuri gisa agertuz, eta eskualde zuriaren luzera handitzen da pultsu-energia handitzen den heinean. Lagina leunduz, eskualde zuriaren ezaugarri morfologikoak behatu genituen 15,4 μJ-ko pultsu-energia batean eskaneatze-mikroskopio elektroniko batean, (b) irudian erakusten den bezala. Ondorioztatu daiteke gutxi gorabehera 200 nm-ko diametroa duen nanoporo bat sortzen dela errefrakzio-indize murriztua duen eskualdean.

Ioi-izpien bidezko grabaketaren eta in situ eskaneatze-mikroskopio elektronikoaren behaketa-sistemen bidez, nanoporoaren presentzia baieztatu genuen (c irudia). Beraz, laserrak eragindako akatsak minimizatzeko, pultsu bakarreko energiak ez luke 9,5 μJ baino gehiago izan behar laser bidezko soldaduran zehar.

3. Bessel ultramotzeko pultsu laserra erabiliz silize urtuko beirateen arteko mikrosoldadura kalitate handikoa lortzea.

(a) irudiak laginaren soldadura gainazalaren goiko ikuspegiko mikrografia bat erakusten du. Ikus daiteke laser soldadura lerroa uniformea ​​eta leuna dela. Soldatutako eremuan ausaz banatutako mikroporo akats batzuk badaude ere, oro har, Gauss-en laser soldadura lerroa baino nabarmen hobea da. Neurketek erakusten dute soldadura lerroaren zabalera gutxi gorabehera 18 μm dela, eta soldadura lerroen arteko tartea 40 μm-koa dela. (b) irudiak laginaren soldadura lerroaren alboko ikuspegiko mikrografia bat erakusten du.

Ikus daiteke laginen arteko tartea erabat desagertzen dela laser bidezko prozesamenduaren ondoren, eta interfazearen ondoko materiala entitate bakarrean fusionatu dela urtze-hozte termiko prozesua jasan ondoren. Neurketek agerian uzten dute laser bidezko urtze termiko eskualdearen sakonera 227 μm-ra iristen dela. Horrek adierazten du parametro hauekin laser bidezko soldaduran zehar, foku-posizioaren ardatz-sakonera 227 μm-ra irits daitekeela, hau da, baldintza berdinetan Gauss-en laser bidezko soldaduraren laukoitza.

4. Non erosi Bessel lenteak?

Wavelength Opto-Electronic-ek laser bidezko prozesatzeko aplikazioetan erabiltzen diren Bessel lenteak eskaintzen ditu. Irteerako izpiaren foku-sakonera doitzeko aukera sarrerako izpiaren diametroaren tamaina doituz da Bessel izpi-sistema optiko honen ezaugarririk erakargarriena.