Metodi ta' Disinn ta' Bessel Beam

Biex il-materjali fuq iż-żewġ naħat tal-interfaċċja jdubu simultanjament u jistabbilixxu rabta ta' mikro-reġjun ta' saħħa għolja, il-punt fokali tal-lejżer irid ikun iffukat b'mod preċiż fuq il-kampjun, u dan jimponi domandi stretti fuq l-eżattezza tal-ipproċessar tas-sistema tal-iwweldjar. Barra minn hekk, minħabba l-gradjent kbir tal-intensità assjali tar-raġġ Gaussian wara l-iffukar, it-temperatura tal-kamp fokali mhijiex uniformi, u dan jagħmilha suxxettibbli għall-formazzjoni ta' difetti mikro- u nano-vojt fir-reġjun affettwat mil-lejżer, li min-naħa tagħhom jaffettwaw il-kwalità tal-iwweldjar tal-kampjun.

It-teknoloġija tal-iffurmar tad-dawl spazjali tista' tintuża biex tiġġenera raġġi Bessel ta' ordni żero biex tottimizza d-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp fokali tal-lejżer. Dan l-approċċ inaqqas il-gradjent tal-intensità assjali u jestendi t-tul fokali, u b'hekk iżid il-proporzjon tal-fond għall-wisa' tar-reġjun tal-effett termali ffurmat mil-lejżer. Bħala riżultat, inaqqas ir-rekwiżiti tal-preċiżjoni tal-iffukar tas-sistema tal-iwweldjar bil-lejżer, u jtejjeb kemm il-kwalità kif ukoll l-effiċjenza tal-iwweldjar.

1. Il-Ġenerazzjoni u d-Disinn tal-Parametri ta' Raġġi Bessel Mhux Diffrattivi

Fl-1987, Durnin ippropona għall-ewwel darba r-raġġ Bessel ta' ordni żero, li juri proprjetajiet uniċi mhux diffrattivi: id-distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp tad-dawl trasversali tiegħu tibqa' l-istess waqt il-propagazzjoni, u d-daqs tat-tebgħa ċentrali huwa dejjem qrib il-limitu tad-diffrazzjoni. Barra minn hekk, ir-raġġi Bessel juru wkoll proprjetà ta' awto-fejqan waqt il-propagazzjoni. Meta t-tebgħa ċentrali tkun ostakolata, id-dawl tal-madwar jikkonverġi lejn iċ-ċentru biex "isewwi" t-tebgħa ċentrali. L-espressjoni matematika għad-distribuzzjoni tal-kamp tad-dawl trasversali ta' raġġ Bessel ta' ordni żero hija:

Fl-espressjoni:

• J0 tirrappreżenta l-funzjoni ta' Bessel ta' ordni żero.
• r u φ huma l-elementi tal-koordinati radjali u angolari, rispettivament.
• z hija d-distanza ta' propagazzjoni.
• Kr u Kz huma l-elementi tal-vector tal-mewġa trasversali u lonġitudinali, rispettivament.

Il-punt ċentrali prinċipali ta' raġġ Bessel ta' ordni żero għandu kapaċità qawwija ta' konfinament, li jippermetti livelli ta' irradjazzjoni tal-ordni ta' TW/cm² jew ogħla, li jistgħu effettivament jeċitaw assorbiment mhux lineari fil-materjali. Aktar importanti minn hekk, il-karatteristika ta' propagazzjoni mhux diffrattanti tar-raġġi Bessel ta' ordni żero tipprovdi fond ta' fokus akbar u gradjent ta' intensità assjali iżgħar, u b'hekk toħloq kamp ta' temperatura kważi uniformi u trażżan il-formazzjoni ta' difetti tal-iwweldjar.

Il-figura li ġejja turi paragun tat-tul fokali tar-raġġi Bessel u r-raġġi Gaussjani taħt l-istess kapaċità ta' konfinament trasversali. Ir-raġġi Bessel għandhom fond ta' fokus konsiderevoli filwaqt li jżommu dijametru tal-punt fokali fil-livell tal-mikron trasversali.

Hemm diversi metodi biex jiġu ġġenerati raġġi Bessel ta' ordni żero, u t-tliet metodi ewlenin li ġejjin huma komuni:

Metodu ta' Apertura Annulari: Il-metodu ta' apertura annulari, kif jissuġġerixxi l-isem, jinvolvi l-użu ta' qasma annulari biex jipproduċi raġġi Bessel. Dan kien ukoll l-ewwel metodu ta' suċċess għall-ġenerazzjoni ta' raġġi Bessel. Id-dijagramma t'hawn taħt turi l-metodu ta' apertura annulari għall-ġenerazzjoni ta' raġġi Bessel. Mewġa pjana tiġi inċidentali perpendikolarment fuq ix-xquma annulari mix-xellug u sseħħ diffrazzjoni.

Wara dan, lenti pożittiva twettaq trasformazzjoni ta' Fourier, li tirriżulta fil-formazzjoni ta' raġġ ta' Bessel wara l-lenti. Id-distanza ta' propagazzjoni mhux diffrattiva Zmax hija relatata mad-dijametru d tal-qasma annulari u l-apertura numerika tal-lenti.

Għalkemm dan il-metodu jista' jiġġenera raġġi Bessel ta' ordni żero, l-effiċjenza tal-konverżjoni tal-enerġija hija baxxa ħafna, u dan jagħmilha diffiċli biex jiġi applikat f'oqsma tal-ipproċessar tal-lejżer.

Metodu tal-Modulatur tad-Dawl Spazjali: Il-proċess tal-ġenerazzjoni ta' raġġ Bessel ta' ordni żero huwa essenzjalment proċess ta' tibdil fid-distribuzzjoni tal-fażi tar-raġġ. Għalhekk, raġġ Bessel ta' ordni żero jista' jiġi ġġenerat ukoll bl-użu ta' modulatur tad-dawl spazjali. Modulatur tad-dawl spazjali huwa tip ta' apparat ta' modulazzjoni optoelettroniku li jikkontrolla l-intensità u d-distribuzzjoni tal-fażi tal-kamp tad-dawl permezz ta' sinjali elettriċi. Raġġ Bessel ta' ordni żero jista' jiġi ġġenerat billi tiġi applikata l-fażi tal-lenti konika, kif muri fil-figura hawn taħt, mal-pannell tax-xogħol tal-modulatur tad-dawl spazjali.

Metodu Axicon: Axicon huwa wieħed mill-elementi diffrattivi passivi bbażati fuq il-ħġieġ l-aktar użati komunement għall-ġenerazzjoni ta' raġġi Bessel. Meta raġġ Gaussian normalment ikun inċidentali fuq u jgħaddi minn axicon, id-distribuzzjoni tal-fażi tiegħu tiġi modulata, u tittrasforma f'raġġ Bessel ta' ordni żero mingħajr ebda telf ta' enerġija, kif muri fil-figura hawn taħt.

Minħabba l-ispiża baxxa, il-faċilità tal-użu, u l-limitu għoli ta' ħsara mil-lejżer tal-axicons tal-ħġieġ, kif ukoll l-effiċjenza eċċezzjonalment għolja tagħhom fl-użu tal-enerġija, l-axicons huma l-għażla primarja għall-ġenerazzjoni ta' raġġi Bessel b'polz ultra-qasir fil-qasam tal-ipproċessar tal-lejżer. Il-figura hawn taħt turi skema tat-tidjiq u t-trażmissjoni tar-raġġ ta' raġġ Bessel ta' ordni żero. Billi jiġu aġġustati l-ingrandiment u l-orjentazzjoni tas-sistema tal-immaġini 4f, id-distanza ta' propagazzjoni mhux diffrattiva, l-angolu tan-nofs kon, u l-angolu tal-inklinazzjoni fid-direzzjoni tal-propagazzjoni tar-raġġ Bessel jistgħu jiġu kkontrollati faċilment.

Meta raġġ Bessel ta' ordni żero b'angolu ta' nofs kon ta' Ɵ1 u distanza ta' propagazzjoni ħielsa mid-diffrazzjoni ta' Zmax jgħaddi minn sistema 4f magħmula minn lenti (L1) u lenti oġġettiva (L2), id-dimensjonijiet ġeometriċi jiġu kkompressati aktar. L-ingrandiment laterali huwa bejn wieħed u ieħor M=f1/f2=5, u l-ingrandiment lonġitudinali huwa bejn wieħed u ieħor M2=25. Għalhekk, l-immaġini finali tar-raġġ Bessel ta' ordni żero ġewwa l-kampjun tista' tiġi rappreżentata mill-parametri ġeometriċi:

Parametri ġeometriċi tar-raġġ Bessel immaġinati ġewwa kampjun tal-ħġieġ tal-kwarz taħt angoli koniċi differenti u ingrandimenti tal-kompressjoni tar-raġġ.

Distribuzzjoni tal-intensità tal-kamp fokali ta' raġġ Bessel

• r u z: Komponenti tal-koordinati radjali u assjali, rispettivament.
• λ: Tul ta' mewġa ċentrali tal-lejżer.
• w: raġġ ta' 1/e² tar-raġġ Gaussian inċidentali.
• P0: L-ogħla qawwa tal-lejżer tal-impuls ultra-qasir.
• β1: Angolu ta' nofs kon tar-raġġ Bessel wara l-kompressjoni tar-raġġ.
• k: Vettur tal-mewġa.
• J0: Funzjoni ta' Bessel ta' ordni żero.

Distribuzzjoni tal-intensità tar-raġġ Bessel ta' ordni żero ġewwa ħġieġ tal-kwarz: Fuq ix-xellug hemm id-distribuzzjoni tad-densità tal-qawwa ottika tul id-direzzjoni tal-propagazzjoni u l-veduta trasversali, u fuq il-lemin hemm id-distribuzzjoni tad-densità tal-qawwa ottika tul l-assi u l-veduta trasversali

2. Karatteristiċi tar-Raġġ Bessel tal-Pulse Femtosekond fil-Ħġieġ tas-Silika Fuża

Il-Figura (a) turi l-mikrografi tal-interazzjoni bejn raġġi Bessel tal-polz femtosekond u ħġieġ tas-silika mdewba f'enerġiji tal-polz differenti. Il-wisa' tal-polz tal-lejżer hija ffissata għal 220 fs, u l-angolu ta' nofs kon tar-raġġ Bessel ġewwa l-kampjun huwa 12.4°. Jista' jiġi osservat li r-reġjun affettwat mil-lejżer juri struttura lineari unidimensjonali tipika. Meta l-enerġija tal-polz tal-lejżer tkun inqas minn 9.5 μJ, l-indiċi refrattiv tal-materjal fir-reġjun fokali jiżdied, u jidher bħala reġjun iswed fil-mikrografu.

Meta l-enerġija tal-polz tal-lejżer taqbeż id-9.5 μJ, l-indiċi refrattiv tal-materjal fir-reġjun fokali jonqos, u jidher bħala reġjun abjad fil-mikrografu, u t-tul tar-reġjun abjad jiżdied biż-żieda tal-enerġija tal-polz. Billi llustrajna l-kampjun, osservajna l-karatteristiċi morfoloġiċi tar-reġjun abjad b'enerġija tal-polz ta' 15.4 μJ taħt mikroskopju elettroniku tal-iskannjar, kif muri fil-Figura (b). Jista' jiġi konkluż li nanoporu b'dijametru ta' madwar 200 nm huwa ffurmat fir-reġjun b'indiċi refrattiv imnaqqas.

Permezz ta' sistemi ta' osservazzjoni b'inċiżjoni bir-raġġ tal-joni u mikroskopju elettroniku ta' skannjar in situ, ikkonfermajna aktar il-preżenza tan-nanoporu (Figura ċ). Għalhekk, sabiex jitnaqqas kemm jista' jkun il-ġenerazzjoni ta' difetti kkaġunati mil-lejżer, l-enerġija tal-polz wieħed m'għandhiex taqbeż id-9.5 μJ waqt l-iwweldjar bil-lejżer.

3. Il-Ksib ta' Mikro-Iwweldjar ta' Kwalità Għolja Bejn Nuċċali tas-Silika Fuża bl-użu tal-Laser tal-Pulse Ultrashort Bessel.

Il-Figura (a) turi mikrografu minn fuq tal-wiċċ tal-iwweldjar tal-kampjun. Jidher li l-linja tal-iwweldjar bil-lejżer hija uniformi u lixxa. Għalkemm għad hemm ftit difetti tal-mikropori mqassma b'mod każwali fiż-żona wweldjata, b'mod ġenerali, hija ferm aħjar mil-linja tal-iwweldjar bil-lejżer Gaussjana. Il-kejl juri li l-wisa' tal-linja tal-iwweldjar hija ta' madwar 18 μm, u l-ispazjar bejn il-linji tal-iwweldjar huwa ta' 40 μm. Il-Figura (b) turi mikrografu mill-ġenb tal-linja tal-iwweldjar tal-kampjun.

Jista' jidher li d-distakk bejn il-kampjuni jisparixxi kompletament wara l-ipproċessar bil-lejżer, u l-materjal ħdejn l-interfaċċja jkun ingħaqad f'entità waħda wara li jkun għadda mill-proċess ta' tidwib-tkessiħ termali. Il-kejl juri li l-fond tar-reġjun tat-tidwib termali indott bil-lejżer jilħaq sa 227 μm. Dan jindika li waqt l-iwweldjar bil-lejżer b'dawn il-parametri, il-fond assjali tal-pożizzjoni fokali jista' jilħaq sa 227 μm, li huwa erba' darbiet dak tal-iwweldjar bil-lejżer Gaussjan taħt l-istess kundizzjonijiet.

4. Fejn Tixtri Lentijiet Bessel?

Wavelength Opto-Electronic toffri lentijiet Bessel ta’ kwalità għolja li jintużaw f’applikazzjonijiet tal-ipproċessar bil-lejżer. L-aktar karatteristika attraenti ta’ din is-sistema ottika tar-raġġ Bessel hija l-abbiltà li tiġi aġġustata l-fond tal-fokus tar-raġġ tal-ħruġ billi jiġi aġġustat id-daqs tad-dijametru tar-raġġ tad-dħul.