Bessel Şüa Dizayn Metodları

Materialları səthin hər iki tərəfində eyni vaxtda əritmək və yüksək möhkəmlikli mikrobölgə əlaqəsi yaratmaq üçün lazer fokus nöqtəsi nümunəyə dəqiq şəkildə fokuslanmalıdır ki, bu da qaynaq sisteminin emal dəqiqliyinə ciddi tələblər qoyur. Bundan əlavə, fokuslandıqdan sonra Qaus şüasının böyük ox intensivliyi qradiyenti səbəbindən fokus sahəsinin temperaturu qeyri-bərabər olur və bu da lazerdən təsirlənən bölgədə mikro və nano boşluq qüsurlarının əmələ gəlməsinə meylli olur ki, bu da öz növbəsində nümunənin qaynaq keyfiyyətinə təsir göstərir.

Məkan işığı formalaşdırma texnologiyası lazer fokus sahəsinin intensivlik paylanmasını optimallaşdırmaq üçün sıfır tərtibli Bessel şüaları yaratmaq üçün istifadə edilə bilər. Bu yanaşma ox intensivliyi qradiyentini azaldır və fokus uzunluğunu uzadır, bununla da lazerin yaratdığı istilik effekti bölgəsinin dərinlik-en nisbətini artırır. Nəticədə, lazer qaynaq sisteminin fokuslama dəqiqliyi tələblərini azaldır və həm qaynaq keyfiyyətini, həm də səmərəliliyini artırır.

1. Difraksiya etməyən Bessel Şüalarının Yaradılması və Parametr Dizaynı

1987-ci ildə Durnin ilk dəfə sıfır tərtibli Bessel şüasını təklif etdi ki, bu da unikal qeyri-difraksiya xüsusiyyətlərini göstərir: onun eninə işıq sahəsinin intensivliyinin paylanması yayılma zamanı dəyişməz qalır və mərkəzi ləkənin ölçüsü həmişə difraksiya həddinə yaxındır. Bundan əlavə, Bessel şüaları yayılma zamanı özünü bərpa edən xüsusiyyət də nümayiş etdirir. Mərkəzi ləkə tıxandıqda, ətrafdakı işıq mərkəzi ləkəni "bərpa etmək" üçün mərkəzə doğru birləşəcək. Sıfır tərtibli Bessel şüasının eninə işıq sahəsinin paylanması üçün riyazi ifadə belədir:

İfadədə:

• J0 sıfır tərtibli Bessel funksiyasını təmsil edir.
• r və φ müvafiq olaraq radial və bucaq koordinat elementləridir.
• z yayılma məsafəsidir.
• Kr və Kz müvafiq olaraq eninə və uzununa dalğavektor elementləridir.

Sıfır tərtibli Bessel şüasının mərkəzi əsas nöqtəsi güclü məhdudlaşdırma qabiliyyətinə malikdir və materiallarda qeyri-xətti udulmanı effektiv şəkildə stimullaşdıra bilən TW/sm² və ya daha yüksək şüalanma səviyyələrinə imkan verir. Daha da əhəmiyyətlisi, sıfır tərtibli Bessel şüalarının difraksiya etməyən yayılma xarakteristikası daha böyük fokus dərinliyi və daha kiçik ox intensivliyi qradiyenti təmin edir və beləliklə, demək olar ki, vahid temperatur sahəsi yaradır və qaynaq qüsurlarının əmələ gəlməsinin qarşısını alır.

Aşağıdakı şəkildə Bessel şüalarının və Qauss şüalarının fokus məsafəsinin eyni eninə məhdudlaşdırma qabiliyyəti altında müqayisəsi göstərilir. Bessel şüaları eninə mikron səviyyəsində fokus nöqtəsinin diametrini saxlayarkən əhəmiyyətli dərəcədə fokus dərinliyinə malikdir.

Sıfır tərtibli Bessel şüalarının yaradılmasının bir neçə üsulu mövcuddur və aşağıdakı üç əsas üsul geniş yayılmışdır:

Həlqəvi Diafraqma Metodu: Adından da göründüyü kimi, halqavi diafraqma metodu Bessel şüaları yaratmaq üçün halqavi yarıqdan istifadə etməyi əhatə edir. Bu, həmçinin Bessel şüaları yaratmaq üçün ilk uğurlu metod idi. Aşağıdakı diaqram Bessel şüaları yaratmaq üçün halqavi diafraqma metodunu göstərir. Müstəvi dalğa soldan halqavi yarıq üzərinə perpendikulyar olaraq düşür və difraksiya baş verir.

Daha sonra, müsbət linza Furye çevrilməsini həyata keçirir və nəticədə linzanın arxasında Bessel şüası əmələ gəlir. Difraksiya etməyən yayılma məsafəsi Zmax, halqavari yarığın diametri d və linzanın ədədi diafraqması ilə əlaqədardır.

Bu üsul sıfır tərtibli Bessel şüaları yarada bilsə də, enerji çevrilmə səmərəliliyi olduqca aşağıdır və bu da lazer emalı sahələrində tətbiqini çətinləşdirir.

Məkan İşıq Modulyatoru metodu: Sıfır tərtibli Bessel şüasının generasiya prosesi əsasən şüanın faza paylanmasını dəyişdirmək prosesidir. Buna görə də, sıfır tərtibli Bessel şüası da fəza işıq modulyatorundan istifadə etməklə yaradıla bilər. Fəza işıq modulyatoru işıq sahəsinin intensivliyini və elektrik siqnalları vasitəsilə faza paylanmasını idarə edən bir növ optoelektron modulyasiya cihazıdır. Sıfır tərtibli Bessel şüası, aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, fəza işıq modulyatorunun işçi panelinə konik linza fazası tətbiq etməklə yaradıla bilər.

Aksikon metodu: Aksikon, Bessel şüaları yaratmaq üçün ən çox istifadə edilən passiv şüşə əsaslı difraksiya elementlərindən biridir. Qaus şüası normal olaraq aksikona düşəndə ​​və ondan keçdikdə, onun faza paylanması modulyasiya olunur və aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, heç bir enerji itkisi olmadan sıfır tərtibli Bessel şüasına çevrilir.

Şüşə aksikonlarının aşağı qiyməti, istifadəsi asanlığı və yüksək lazer zədələnmə həddi, eləcə də olduqca yüksək enerji istifadə səmərəliliyi səbəbindən aksikonlar lazer emalı sahəsində ultraqısa impulslu Bessel şüaları yaratmaq üçün əsas seçimdir. Aşağıdakı şəkildə sıfır tərtibli Bessel şüasının şüa daralması və ötürülməsinin sxemi göstərilir. 4f görüntüləmə sisteminin böyüdülməsi və istiqamətini tənzimləməklə, Bessel şüasının yayılma istiqamətində qeyri-difraksiya yayılma məsafəsi, yarımkonus bucağı və əyilmə bucağı asanlıqla idarə oluna bilər.

Yarım konus bucağı Ɵ1 və difraksiyasız yayılma məsafəsi Zmax olan sıfır tərtibli Bessel şüası linzadan (L1) və obyektiv linzadan (L2) ibarət 4f sistemindən keçdikdə, həndəsi ölçülər daha da sıxılacaq. Yanal böyütmə təxminən M=f1/f2=5, uzununa böyütmə isə təxminən M2=25-dir. Beləliklə, nümunə daxilində sıfır tərtibli Bessel şüasının son təsviri həndəsi parametrlərlə təmsil oluna bilər:

Kvars şüşə nümunəsinin içərisində müxtəlif konus bucaqları və şüa sıxılma böyütmələri altında təsvir edilmiş Bessel şüasının həndəsi parametrləri.

Bessel şüasının fokus sahəsinin intensivliyinin paylanması

• r və z: Müvafiq olaraq radial və ox koordinat komponentləri.
• λ: Lazerin mərkəzi dalğa uzunluğu.
• w: düşən Qaus şüasının 1/e² radiusu.
• P0: Ultra qısa impulslu lazerin pik gücü.
• β1: Şüa sıxılmasından sonra Bessel şüasının yarımkonus bucağı.
• k: Dalğa vektoru.
• J0: Sıfır tərtibli Bessel funksiyası.

Kvars şüşəsinin içərisində sıfır tərtibli Bessel şüasının intensivlik paylanması: Solda yayılma istiqaməti və en kəsik görünüşü boyunca optik güc sıxlığının paylanması, sağda isə ox boyunca optik güc sıxlığının paylanması və en kəsik görünüşü verilmişdir.

2. Əridilmiş Silika Şüşəsində Femtosaniyəli İmpuls Bessel Şüasının Xüsusiyyətləri

Şəkil (a), müxtəlif impuls enerjilərində femtosaniyə impulslu Bessel şüaları və əridilmiş silisium şüşəsi arasındakı qarşılıqlı təsirin mikroqraflarını göstərir. Lazer impulsunun eni 220 f/s-də sabitdir və nümunənin içərisindəki Bessel şüasının yarımkonus bucağı 12,4°-dir. Lazerdən təsirlənən bölgənin tipik birölçülü xətti quruluş nümayiş etdirdiyi müşahidə edilə bilər. Lazer impuls enerjisi 9,5 μJ-dən az olduqda, fokus bölgəsindəki materialın refraktiv əmsalı artır və mikroqrafda qara bölgə kimi görünür.

Lazer impuls enerjisi 9,5 μJ-dən çox olduqda, fokus bölgəsindəki materialın sındırma əmsalı azalır, mikroqrafda ağ bölgə kimi görünür və ağ bölgənin uzunluğu artan impuls enerjisi ilə artır. Nümunəni cilalayaraq, Şəkil (b)-də göstərildiyi kimi, skan edən elektron mikroskop altında 15,4 μJ impuls enerjisində ağ bölgənin morfoloji xüsusiyyətlərini müşahidə etdik. Belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, azalmış sındırma əmsalı olan bölgədə təxminən 200 nm diametrli nanoməsamə əmələ gəlir.

İon şüası aşındırma və yerində skanlama elektron mikroskopu müşahidə sistemləri vasitəsilə nanoporanın mövcudluğunu daha da təsdiqlədik (Şəkil c). Buna görə də, lazerlə qaynaqlanan qüsurların yaranmasını minimuma endirmək üçün lazer qaynağı zamanı tək impuls enerjisi 9,5 μJ-dən çox olmamalıdır.

3. Bessel Ultraqısa İmpuls Lazerindən İstifadə Edərək Əridilmiş Silika Şüşələr Arasında Yüksək Keyfiyyətli Mikro Qaynaq Əldə Etmək.

Şəkil (a) nümunənin qaynaq səthinin yuxarıdan görünüşlü mikroqrafını göstərir. Lazer qaynaq xəttinin vahid və hamar olduğu görünür. Qaynaqlanmış sahədə hələ də bir neçə təsadüfi paylanmış mikroməsamə qüsuru olsa da, ümumilikdə, bu, Qaus lazer qaynaq xəttindən xeyli yaxşıdır. Ölçmələr göstərir ki, qaynaq xəttinin eni təxminən 18 μm, qaynaq xətləri arasındakı məsafə isə 40 μm-dir. Şəkil (b) nümunənin qaynaq xəttinin yandan görünüşlü mikroqrafını göstərir.

Göründüyü kimi, lazer emalından sonra nümunələr arasındakı boşluq tamamilə yox olur və səthə yaxın material termal ərimə-soyutma prosesindən keçdikdən sonra tək bir varlığa çevrilir. Ölçmələr göstərir ki, lazerin yaratdığı termal ərimə bölgəsinin dərinliyi 227 μm-ə çatır. Bu, bu parametrlərlə lazer qaynağı zamanı fokus mövqeyinin ox dərinliyinin 227 μm-ə çata biləcəyini göstərir ki, bu da eyni şərtlər altında Qaus lazer qaynağından dörd dəfə çoxdur.

4. Bessel linzalarını haradan almaq olar?

Wavelength Opto-Electronic, lazer emalı tətbiqlərində istifadə olunan yüksək keyfiyyətli Bessel linzaları təklif edir. Giriş şüasının diametrinin ölçüsünü tənzimləməklə çıxış şüasının fokus dərinliyinin tənzimlənməsi bu Bessel şüa optik sisteminin ən cəlbedici xüsusiyyətidir.