Metody návrhu Besselových nosníků

Aby se materiály na obou stranách rozhraní současně roztavily a vytvořila se vysoce pevná mikrooblastní vazba, musí být laserové ohnisko přesně zaostřeno na vzorek, což klade přísné požadavky na přesnost svařovacího systému. Navíc v důsledku velkého axiálního gradientu intenzity Gaussova paprsku po zaostření je teplota ohniskového pole nerovnoměrná, což je náchylné k tvorbě mikro- a nanodefektů v oblasti ovlivněné laserem, což následně ovlivňuje kvalitu svařování vzorku.

Technologie prostorového tvarování světla může být použita k generování Besselových paprsků nultého řádu pro optimalizaci rozložení intenzity laserového ohniskového pole. Tento přístup snižuje axiální gradient intenzity a prodlužuje ohniskovou vzdálenost, čímž se zvyšuje poměr hloubky k šířce oblasti tepelného efektu vytvořené laserem. V důsledku toho se snižují požadavky na přesnost zaostřování laserového svařovacího systému, což zlepšuje jak kvalitu, tak účinnost svařování.

1. Generování a návrh parametrů nedifrakčních Besselových paprsků

V roce 1987 Durnin poprvé navrhl Besselův paprsek nultého řádu, který vykazuje jedinečné nedifrakční vlastnosti: jeho příčné rozložení intenzity světelného pole zůstává během šíření nezměněno a velikost centrální skvrny je vždy blízko difrakční mezi. Besselovy paprsky navíc během šíření vykazují také samoopravnou vlastnost. Když je centrální skvrna zakryta, okolní světlo se sbíhá směrem ke středu, aby ji „opravilo“. Matematický výraz pro příčné rozložení světelného pole Besselova paprsku nultého řádu je:

Ve výrazu:

• J0 představuje Besselovu funkci nultého řádu.
• r a φ jsou radiální a úhlové souřadnicové prvky.
• z je šíření záření.
• Kr a Kz jsou prvky příčného a podélného vlnového vektoru.

Centrální hlavní bod Besselova paprsku nultého řádu má silnou schopnost omezit záření, což umožňuje úrovně ozáření řádově TW/cm² nebo vyšší, což může účinně excitovat nelineární absorpci v materiálech. Ještě důležitější je, že charakteristika šíření Besselových paprsků nultého řádu, která nevede k difrakci, poskytuje větší hloubku ostrosti a menší axiální gradient intenzity, čímž vytváří téměř rovnoměrné teplotní pole a potlačuje vznik svarových vad.

Následující obrázek ukazuje srovnání ohniskové vzdálenosti Besselových a Gaussových paprsků při stejném příčném omezení. Besselovy paprsky mají značnou hloubku ostrosti při zachování příčného průměru ohniskové skvrny na úrovni mikronů.

Existuje několik metod generování Besselových paprsků nultého řádu a následující tři hlavní metody jsou běžné:

Metoda prstencové apertury: Metoda prstencové apertury, jak název napovídá, zahrnuje použití prstencové štěrbiny k vytvoření Besselových paprsků. Toto byla také první úspěšná metoda pro generování Besselových paprsků. Níže uvedený diagram znázorňuje metodu prstencové apertury pro generování Besselových paprsků. Rovinná vlna dopadá kolmo na prstencovou štěrbinu zleva a dochází k difrakci.

Poté pozitivní čočka provede Fourierovu transformaci, která vede k vytvoření Besselova paprsku za čočkou. Nedifrakční šířící vzdálenost Zmax souvisí s průměrem d prstencové štěrbiny a numerickou aperturou čočky.

Ačkoli tato metoda dokáže generovat Besselovy paprsky nultého řádu, účinnost přeměny energie je extrémně nízká, což ztěžuje její použití v oblastech laserového zpracování.

Metoda prostorového modulátoru světla: Proces generování Besselova paprsku nultého řádu je v podstatě procesem změny fázového rozložení paprsku. Besselův paprsek nultého řádu lze proto generovat také pomocí prostorového modulátoru světla. Prostorový modulátor světla je typ optoelektronického modulačního zařízení, které řídí intenzitu světelného pole a fázové rozložení pomocí elektrických signálů. Besselův paprsek nultého řádu lze generovat aplikací fáze kuželové čočky, jak je znázorněno na obrázku níže, na pracovní panel prostorového modulátoru světla.

Metoda Axicon: Axicon je jedním z nejčastěji používaných pasivních difrakčních prvků na bázi skla pro generování Besselových paprsků. Když na axicon normálně dopadá a prochází jím gaussovský paprsek, jeho fázové rozložení je modulováno a transformuje se na Besselův paprsek nultého řádu bez jakékoli ztráty energie, jak je znázorněno na obrázku níže.

Vzhledem k nízkým nákladům, snadnému použití a vysokému prahu poškození laserem u skleněných axikonů, stejně jako k jejich mimořádně vysoké účinnosti využití energie, jsou axikony primární volbou pro generování ultrakrátkých pulzních Besselových paprsků v oblasti laserového zpracování. Obrázek níže ukazuje schéma zúžení paprsku a propustnosti Besselova paprsku nultého řádu. Úpravou zvětšení a orientace zobrazovacího systému 4f lze snadno ovládat nedifrakční šíření, úhel polokužele a úhel sklonu ve směru šíření Besselova paprsku.

Když Besselův paprsek nultého řádu s úhlem polokužele Ɵ1 a šířící se vzdáleností Zmax bez difrakce prochází systémem 4f složeným z čočky (L1) a objektivu (L2), geometrické rozměry se dále zkrátí. Laterální zvětšení je přibližně M=f1/f2=5 a podélné zvětšení je přibližně M2=25. Konečné zobrazení Besselova paprsku nultého řádu uvnitř vzorku lze tedy reprezentovat geometrickými parametry:

Geometrické parametry Besselova paprsku zobrazeného uvnitř vzorku křemenného skla pod různými úhly kužele a zvětšeními komprese paprsku.

Rozložení intenzity ohniskového pole Besselova paprsku

• r a z: Radiální a axiální souřadnicové složky.
• λ: Centrální vlnová délka laseru.
• w: poloměr 1/e² dopadajícího Gaussova paprsku.
• P0: Špičkový výkon laseru s ultrakrátkými pulzy.
• β1: Úhel poloviny kužele Besselova nosníku po stlačení nosníku.
• k: Vlnový vektor.
• J0: Besselova funkce nultého řádu.

Rozložení intenzity Besselova paprsku nultého řádu uvnitř křemenného skla: Vlevo je rozložení hustoty optického výkonu podél směru šíření a průřezový pohled, vpravo je rozložení hustoty optického výkonu podél osy a průřezový pohled.

2. Charakteristiky femtosekundového pulzního Besselova paprsku v taveném křemenném skle

Obrázek (a) ukazuje mikrofotografie interakce mezi femtosekundovými pulzními Besselovými paprsky a taveným křemenným sklem při různých energiích pulzů. Šířka laserového pulzu je pevně stanovena na 220 fs a úhel polokužele Besselova paprsku uvnitř vzorku je 12,4°. Lze pozorovat, že oblast ovlivněná laserem vykazuje typickou jednorozměrnou lineární strukturu. Pokud je energie laserového pulzu menší než 9,5 μJ, index lomu materiálu v ohniskové oblasti se zvyšuje a na mikrofotografii se jeví jako černá oblast.

Když energie laserového pulzu překročí 9,5 μJ, index lomu materiálu v ohniskové oblasti se snižuje a na mikrofotografii se jeví jako bílá oblast. Délka bílé oblasti se s rostoucí energií pulzu zvětšuje. Leštěním vzorku jsme pod rastrovacím elektronovým mikroskopem pozorovali morfologické charakteristiky bílé oblasti při energii pulzu 15,4 μJ, jak je znázorněno na obrázku (b). Lze konstatovat, že v oblasti se sníženým indexem lomu se tvoří nanopór o průměru přibližně 200 nm.

Pomocí leptání iontovým svazkem a pozorování in situ pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu jsme dále potvrdili přítomnost nanopórů (obrázek c). Aby se minimalizoval vznik laserem indukovaných defektů, energie jednoho pulzu by proto během laserového svařování neměla překročit 9,5 μJ.

3. Dosažení vysoce kvalitního mikrosvařování mezi tavenými křemennými skly pomocí Besselova ultrakrátkého pulzního laseru.

Obrázek (a) ukazuje mikrofotografii svařovacího povrchu vzorku v pohledu shora. Je vidět, že laserová svarová linie je rovnoměrná a hladká. Přestože se ve svařované oblasti stále nachází několik náhodně rozložených mikroporézních defektů, celkově je výrazně lepší než Gaussova laserová svarová linie. Měření ukazují, že šířka svarové linie je přibližně 18 μm a vzdálenost mezi svarovými liniemi je 40 μm. Obrázek (b) ukazuje boční mikrofotografii svarové linie vzorku.

Je vidět, že mezera mezi vzorky po laserovém zpracování zcela mizí a materiál v blízkosti rozhraní se po tepelném tavení a ochlazování spojil do jednoho celku. Měření ukazují, že hloubka laserem indukované oblasti tepelného tavení dosahuje až 227 μm. To naznačuje, že během laserového svařování s těmito parametry může axiální hloubka ohniska dosáhnout až 227 μm, což je čtyřikrát více než u Gaussova laserového svařování za stejných podmínek.

4. Kde koupit Besselovy čočky?

Společnost Wavelength Opto-Electronic nabízí vysoce kvalitní Besselovy čočky, které se používají v laserových aplikacích. Nejatraktivnější vlastností tohoto optického systému s Besselovým paprskem je možnost ladění hloubky ostrosti výstupního paprsku úpravou průměru vstupního paprsku.