Bessel Beam Designmetoder

För att samtidigt smälta materialen på båda sidor av gränssnittet och etablera en höghållfast mikroregionbindning måste laserns fokuspunkt vara exakt fokuserad på provet, vilket ställer höga krav på svetssystemets bearbetningsnoggrannhet. På grund av den stora axiella intensitetsgradienten hos den gaussiska strålen efter fokusering är dessutom fokusfältets temperatur ojämn, vilket gör det benäget att bilda mikro- och nano-hålrumsdefekter i det laserpåverkade området, vilket i sin tur påverkar provets svetskvalitet.

Spatial ljusformningsteknik kan användas för att generera Bessel-strålar av nollte ordningen för att optimera intensitetsfördelningen i laserns fokusfält. Denna metod minskar den axiella intensitetsgradienten och förlänger brännvidden, vilket ökar djup-till-bredd-förhållandet i det termiska effektområdet som bildas av lasern. Som ett resultat minskar den lasersvetssystemets fokuseringsnoggrannhetskrav, vilket förbättrar både svetskvalitet och effektivitet.

1. Generering och parameterdesign av icke-diffrakterande Besselbalkar

År 1987 föreslog Durnin först Bessel-strålen av nollte ordningen, som uppvisar unika icke-diffrakterande egenskaper: dess transversella ljusfältsintensitetsfördelning förblir oförändrad under utbredning, och storleken på den centrala fläcken är alltid nära diffraktionsgränsen. Dessutom uppvisar Bessel-strålar också en självläkande egenskap under utbredning. När den centrala fläcken skyms kommer det omgivande ljuset att konvergera mot mitten för att "reparera" den centrala fläcken. Det matematiska uttrycket för den transversella ljusfältsfördelningen för en Bessel-stråle av nollte ordningen är:

I uttrycket:

• J0 representerar Bessel-funktionen av nollte ordningen.
• r och φ är de radiella respektive vinkelkoordinatelementen.
• z är utbredningsavståndet.
• Kr och Kz är de transversella respektive longitudinella vågvektorelementen.

Den centrala huvudfläcken i en Bessel-stråle av nollte ordningen har en stark inneslutningsförmåga, vilket möjliggör bestrålningsnivåer i storleksordningen TW/cm² eller högre, vilket effektivt kan excitera ickelinjär absorption i material. Ännu viktigare är att den icke-diffrakterande utbredningsegenskapen hos Bessel-strålar av nollte ordningen ger ett större fokusdjup och en mindre axiell intensitetsgradient, vilket skapar ett nästan enhetligt temperaturfält och undertrycker bildandet av svetsdefekter.

Följande figur visar en jämförelse av brännvidden för Bessel-strålar och Gauss-strålar under samma transversella inneslutningsförmåga. Bessel-strålar har ett avsevärt fokusdjup samtidigt som de bibehåller en tvärgående fokusfläcksdiameter på mikronnivå.

Det finns flera metoder för att generera Bessel-strålar av nollte ordningen, och följande tre huvudmetoder är vanliga:

Ringformad aperturmetoden: Den ringformade aperturmetoden, som namnet antyder, innebär att man använder en ringformad slits för att producera Besselstrålar. Detta var också den första framgångsrika metoden för att generera Besselstrålar. Diagrammet nedan illustrerar den ringformade aperturmetoden för att generera Besselstrålar. En planvåg infaller vinkelrätt på den ringformade slitsen från vänster och diffraktion uppstår.

Därefter utför en positiv lins en Fouriertransform, vilket resulterar i bildandet av en Besselstråle bakom linsen. Det icke-diffrakterande utbredningsavståndet Zmax är relaterat till diametern d för den ringformade slitsen och linsens numeriska apertur.

Även om denna metod kan generera Bessel-strålar av nollte ordningen, är energiomvandlingseffektiviteten extremt låg, vilket gör den svår att tillämpa inom laserbearbetningsområden.

Spatial ljusmodulatormetod: Genereringsprocessen för en Besselstråle av nollte ordningen är i huvudsak en process för att ändra strålens fasfördelning. Därför kan en Besselstråle av nollte ordningen också genereras med hjälp av en spatial ljusmodulator. En spatial ljusmodulator är en typ av optoelektronisk moduleringsenhet som styr ljusfältets intensitet och fasfördelning genom elektriska signaler. En Besselstråle av nollte ordningen kan genereras genom att applicera den koniska linsfasen, som visas i figuren nedan, på arbetspanelen på den spatial ljusmodulatorn.

Axikonmetoden: En axikon är ett av de vanligaste passiva glasbaserade diffraktiva elementen för att generera Besselstrålar. När en Gaussisk stråle normalt infaller på och passerar genom en axikon moduleras dess fasfördelning, vilket omvandlar den till en Besselstråle av nollte ordningen utan någon energiförlust, som visas i figuren nedan.

På grund av den låga kostnaden, användarvänligheten och den höga laserskadetröskeln hos glasaxioner, såväl som deras exceptionellt höga energiutnyttjandeeffektivitet, är axioner det primära valet för att generera ultrakorta pulserade Besselstrålar inom laserbehandling. Figuren nedan visar en schematisk bild av strålförminskning och transmission av en Besselstråle av nollte ordningen. Genom att justera förstoringen och orienteringen av 4f-avbildningssystemet kan det icke-diffraktiva utbredningsavståndet, halvkonvinkeln och lutningsvinkeln i Besselstrålens utbredningsriktning enkelt kontrolleras.

När en Besselstråle av nollte ordningen med en halvkonvinkel på Ɵ1 och ett diffraktionsfritt utbredningsavstånd på Zmax passerar genom ett 4f-system bestående av en lins (L1) och en objektivlins (L2), kommer de geometriska dimensionerna att komprimeras ytterligare. Den laterala förstoringen är ungefär M=f1/f2=5, och den longitudinella förstoringen är ungefär M2=25. Således kan den slutliga avbildningen av Besselstrålen av nollte ordningen inuti provet representeras av de geometriska parametrarna:

Geometriska parametrar för Bessel-strålen avbildad inuti ett kvartsglasprov under olika konvinklar och strålkompressionsförstoringar.

Fokusfältintensitetsfördelning av en Bessel-stråle

• r och z: Radiella respektive axiella koordinatkomponenter.
• λ: Laserns centrala våglängd.
• w: 1/e² radie för den infallande gaussiska strålen.
• P0: Toppeffekt för ultrakortpulslasern.
• β1: Halvkonvinkel för Bessel-strålen efter strålkompression.
• k: Vågvektor.
• J0: Besselfunktion av nollte ordningen.

Intensitetsfördelning av Bessel-strålen av nollte ordningen inuti kvartsglas: Till vänster visas den optiska effekttäthetsfördelningen längs utbredningsriktningen och tvärsnittsvyn, och till höger visas den optiska effekttäthetsfördelningen längs axeln och tvärsnittsvyn.

2. Egenskaper hos femtosekundpuls-Besselstrålen i smält kiseldioxidglas

Figur (a) visar mikrografer av interaktionen mellan femtosekundpulserade Bessel-strålar och smält kiseldioxidglas vid olika pulsenergier. Laserpulsbredden är fixerad till 220 fs, och halvkonvinkeln för Bessel-strålen inuti provet är 12,4°. Det kan observeras att det laserpåverkade området uppvisar en typisk endimensionell linjär struktur. När laserpulsenergin är mindre än 9,5 μJ ökar brytningsindexet för materialet i fokusområdet, vilket framträder som ett svart område i mikrografen.

När laserpulsenergin överstiger 9,5 μJ minskar materialets brytningsindex i fokusområdet, vilket framträder som ett vitt område i mikrofotografiet, och längden på det vita området ökar med ökande pulsenergi. Genom att polera provet observerade vi de morfologiska egenskaperna hos det vita området vid en pulsenergi på 15,4 μJ under ett svepelektronmikroskop, såsom visas i figur (b). Man kan dra slutsatsen att en nanopor med en diameter på cirka 200 nm bildas i området med ett reducerat brytningsindex.

Genom jonstråleetsning och observationssystem med in-situ svepelektronmikroskop bekräftade vi ytterligare närvaron av nanoporerna (Figur c). För att minimera genereringen av laserinducerade defekter bör därför den enskilda pulsenergin inte överstiga 9,5 μJ under lasersvetsning.

3. Uppnå högkvalitativ mikrosvetsning mellan smälta kiseldioxidglas med Bessel ultrakort pulslaser.

Figur (a) visar ett mikroskopiskt foto ovanifrån av provets svetsningsyta. Det framgår att lasersvetslinjen är enhetlig och jämn. Även om det fortfarande finns några slumpmässigt fördelade mikropordefekter i det svetsade området, är den totalt sett betydligt bättre än den gaussiska lasersvetslinjen. Mätningar visar att svetslinjens bredd är ungefär 18 μm och avståndet mellan svetslinjerna är 40 μm. Figur (b) visar ett mikroskopiskt foto från sidan av provets svetslinje.

Det framgår att mellanrummet mellan proverna försvinner helt efter laserbearbetning, och materialet nära gränssnittet har smält samman till en enda enhet efter att ha genomgått den termiska smält- och kylprocessen. Mätningar visar att djupet av det laserinducerade termiska smältområdet når upp till 227 μm. Detta indikerar att under lasersvetsning med dessa parametrar kan fokuspositionens axiella djup nå upp till 227 μm, vilket är fyra gånger så stort som vid Gaussisk lasersvetsning under samma förhållanden.

4. Var kan man köpa Bessel-objektiv?

Wavelength Opto-Electronic erbjuder högkvalitativa Bessel-linser som används i laserbehandlingstillämpningar. Justerbarheten av fokusdjupet för utgångsstrålen genom att justera storleken på ingångsstrålens diameter är den mest attraktiva funktionen hos detta Bessel-stråloptiska system.