Metode de proiectare a grinzilor Bessel

Pentru a topi simultan materialele de pe ambele părți ale interfeței și a stabili o legătură micro-regională de înaltă rezistență, punctul focal al laserului trebuie să fie focalizat precis pe probă, ceea ce impune cerințe stricte privind precizia de procesare a sistemului de sudare. În plus, din cauza gradientului mare de intensitate axială al fasciculului gaussian după focalizare, temperatura câmpului focal este inegală, ceea ce îl face predispus la formarea de defecte micro- și nano-goluri în regiunea afectată de laser, ceea ce, la rândul său, afectează calitatea sudării probei.

Tehnologia de modelare spațială a luminii poate fi utilizată pentru a genera fascicule Bessel de ordin zero pentru a optimiza distribuția intensității câmpului focal laser. Această abordare reduce gradientul de intensitate axială și extinde distanța focală, crescând astfel raportul adâncime-lățime al regiunii de efect termic formate de laser. Drept urmare, se reduc cerințele de precizie de focalizare ale sistemului de sudare cu laser, îmbunătățind atât calitatea, cât și eficiența sudării.

1. Generarea și proiectarea parametrilor fasciculelor Bessel fără difracție

În 1987, Durnin a propus pentru prima dată fasciculul Bessel de ordin zero, care prezintă proprietăți unice de nedifracție: distribuția transversală a intensității câmpului luminos rămâne neschimbată în timpul propagării, iar dimensiunea spotului central este întotdeauna aproape de limita de difracție. În plus, fasciculele Bessel prezintă și o proprietate de auto-reparare în timpul propagării. Atunci când spotul central este obstrucționat, lumina din jur va converge spre centru pentru a „repara” spotul central. Expresia matematică pentru distribuția transversală a câmpului luminos al unui fascicul Bessel de ordin zero este:

În expresia:

• J0 reprezintă funcția Bessel de ordin zero.
• r și φ sunt elementele de coordonate radiale și respectiv unghiulare.
• z este distanța de propagare.
• Kr și Kz sunt elementele vectorului de undă transversal și respectiv longitudinal.

Punctul principal central al unui fascicul Bessel de ordin zero are o capacitate puternică de confinare, permițând niveluri de iradiere de ordinul TW/cm² sau mai mari, ceea ce poate excita eficient absorbția neliniară în materiale. Mai important, caracteristica de propagare nedifractantă a fasciculelor Bessel de ordin zero oferă o adâncime de focalizare mai mare și un gradient de intensitate axială mai mic, creând astfel un câmp de temperatură aproape uniform și suprimând formarea defectelor de sudură.

Următoarea figură prezintă o comparație a distanței focale a fasciculelor Bessel și a fasciculelor gaussiene sub aceeași capacitate de confinare transversală. Fasciculele Bessel posedă o adâncime focală considerabilă, menținând în același timp un diametru al punctului focal transversal de nivel micronic.

Există mai multe metode de generare a fasciculelor Bessel de ordin zero, iar următoarele trei metode principale sunt comune:

Metoda aperturii inelare: Metoda aperturii inelare, așa cum sugerează și numele, implică utilizarea unei fante inelare pentru a produce fascicule Bessel. Aceasta a fost, de asemenea, prima metodă reușită pentru generarea fasciculelor Bessel. Diagrama de mai jos ilustrează metoda aperturii inelare pentru generarea fasciculelor Bessel. O undă plană este incidentă perpendicular pe fanta inelar din stânga și are loc difracția.

Ulterior, o lentilă pozitivă efectuează o transformată Fourier, rezultând formarea unui fascicul Bessel în spatele lentilei. Distanța de propagare nedifractantă Zmax este legată de diametrul d al fantei inelare și de apertura numerică a lentilei.

Deși această metodă poate genera fascicule Bessel de ordin zero, eficiența conversiei energiei este extrem de scăzută, ceea ce face dificilă aplicarea ei în domeniile de procesare cu laser.

Metoda modulatorului spațial de lumină: Procesul de generare a unui fascicul Bessel de ordin zero este, în esență, un proces de modificare a distribuției de fază a fasciculului. Prin urmare, un fascicul Bessel de ordin zero poate fi generat și folosind un modulator spațial de lumină. Un modulator spațial de lumină este un tip de dispozitiv de modulație optoelectronic care controlează intensitatea și distribuția de fază a câmpului luminos prin semnale electrice. Un fascicul Bessel de ordin zero poate fi generat prin aplicarea fazei lentilei conice, așa cum se arată în figura de mai jos, pe panoul de lucru al modulatorului spațial de lumină.

Metoda Axicon: Un axicon este unul dintre cele mai utilizate elemente difractive pasive pe bază de sticlă pentru generarea de fascicule Bessel. Atunci când un fascicul gaussian este incident în mod normal pe și trece printr-un axicon, distribuția sa de fază este modulată, transformându-l într-un fascicul Bessel de ordin zero fără nicio pierdere de energie, așa cum se arată în figura de mai jos.

Datorită costului redus, ușurinței în utilizare și pragului ridicat de deteriorare laser a axiconilor din sticlă, precum și eficienței lor excepțional de ridicate în utilizarea energiei, axiconii sunt alegerea principală pentru generarea de fascicule Bessel cu impulsuri ultrascurte în domeniul procesării cu laser. Figura de mai jos prezintă o schemă a îngustării și transmisiei fasciculului unui fascicul Bessel de ordin zero. Prin ajustarea măririi și orientării sistemului de imagistică 4f, distanța de propagare nedifractivă, unghiul semiconului și unghiul de înclinare în direcția de propagare a fasciculului Bessel pot fi ușor controlate.

Când un fascicul Bessel de ordin zero cu un unghi de semicon de Ɵ1 și o distanță de propagare fără difracție de Zmax trece printr-un sistem 4f compus dintr-o lentilă (L1) și o lentilă obiectiv (L2), dimensiunile geometrice vor fi comprimate și mai mult. Mărirea laterală este de aproximativ M=f1/f2=5, iar mărirea longitudinală este de aproximativ M2=25. Astfel, imaginea finală a fasciculului Bessel de ordin zero în interiorul eșantionului poate fi reprezentată prin parametrii geometrici:

Parametrii geometrici ai fasciculului Bessel imagistici în interiorul unei probe de sticlă de cuarț sub diferite unghiuri de con și măriri de compresie a fasciculului.

Distribuția intensității câmpului focal al unui fascicul Bessel

• r și z: componentele coordonatelor radiale și axiale, respectiv.
• λ: lungimea de undă centrală a laserului.
• w: raza de 1/e² a fasciculului gaussian incident.
• P0: Puterea de vârf a laserului cu impulsuri ultrascurte.
• β1: Unghiul semiconic al grinzii Bessel după compresia grinzii.
• k: Vector de undă.
• J0: Funcție Bessel de ordin zero.

Distribuția intensității fasciculului Bessel de ordin zero în interiorul sticlei de cuarț: În stânga sunt reprezentate distribuția densității de putere optică de-a lungul direcției de propagare și vederea în secțiune transversală, iar în dreapta sunt reprezentate distribuția densității de putere optică de-a lungul axei și vederea în secțiune transversală.

2. Caracteristicile fasciculului Bessel cu impulsuri femtosecunde în sticlă de silice topită

Figura (a) prezintă micrografiile interacțiunii dintre fasciculele Bessel cu impulsuri femtosecunde și sticla de silice topită la diferite energii ale impulsurilor. Lățimea impulsului laser este fixată la 220 fs, iar unghiul semiconului fasciculului Bessel în interiorul probei este de 12,4°. Se poate observa că regiunea afectată de laser prezintă o structură liniară unidimensională tipică. Când energia impulsului laser este mai mică de 9,5 μJ, indicele de refracție al materialului din regiunea focală crește, apărând ca o regiune neagră în micrografie.

Când energia impulsului laser depășește 9,5 μJ, indicele de refracție al materialului din regiunea focală scade, apărând ca o regiune albă în micrografie, iar lungimea regiunii albe crește odată cu creșterea energiei impulsului. Prin lustruirea probei, am observat caracteristicile morfologice ale regiunii albe la o energie a impulsului de 15,4 μJ la un microscop electronic cu scanare, așa cum se arată în Figura (b). Se poate concluziona că în regiunea cu un indice de refracție redus se formează un nanopor cu un diametru de aproximativ 200 nm.

Prin gravare cu fascicul de ioni și sisteme de observare cu microscop electronic cu scanare in situ, am confirmat în continuare prezența nanoporului (Figura c). Prin urmare, pentru a minimiza generarea defectelor induse de laser, energia unui singur impuls nu trebuie să depășească 9,5 μJ în timpul sudării cu laser.

3. Realizarea unei micro-sudări de înaltă calitate între sticle de silice topită folosind laserul cu impulsuri ultrascurte Bessel.

Figura (a) prezintă o micrografie de sus a suprafeței de sudură a probei. Se poate observa că linia de sudură cu laser este uniformă și netedă. Deși există încă câteva defecte de micropori distribuite aleatoriu în zona sudată, per total, aceasta este semnificativ mai bună decât linia de sudură cu laser gaussiană. Măsurătorile arată că lățimea liniei de sudură este de aproximativ 18 μm, iar distanța dintre liniile de sudură este de 40 μm. Figura (b) prezintă o micrografie laterală a liniei de sudură a probei.

Se poate observa că spațiul dintre probe dispare complet după procesarea cu laser, iar materialul din apropierea interfeței s-a contopit într-o singură entitate după ce a fost supus procesului de topire-răcire termică. Măsurătorile arată că adâncimea regiunii de topire termică indusă de laser ajunge până la 227 μm. Acest lucru indică faptul că în timpul sudării cu laser cu acești parametri, adâncimea axială a poziției focale poate ajunge până la 227 μm, ceea ce este de patru ori mai mare decât în ​​cazul sudării cu laser gaussian în aceleași condiții.

4. Unde se pot cumpăra lentile Bessel?

Wavelength Opto-Electronic oferă lentile Bessel de înaltă calitate, utilizate în aplicații de procesare cu laser. Reglarea adâncimii de focalizare a fasciculului de ieșire prin ajustarea dimensiunii diametrului fasciculului de intrare este cea mai atractivă caracteristică a acestui sistem optic cu fascicul Bessel.