Bessel-balkontwerpmetodes

Om die materiale aan beide kante van die koppelvlak gelyktydig te smelt en 'n hoësterkte mikrostreekbinding te vestig, moet die laserfokuspunt presies op die monster gefokus wees, wat streng eise stel aan die verwerkingsakkuraatheid van die sweisstelsel. Boonop, as gevolg van die groot aksiale intensiteitsgradiënt van die Gaussiese straal na fokussering, is die fokusveldtemperatuur ongelyk, wat dit geneig maak tot die vorming van mikro- en nano-leegte-defekte in die laser-geaffekteerde gebied, wat weer die sweiskwaliteit van die monster beïnvloed.

Ruimtelike ligvormingstegnologie kan gebruik word om nul-orde Bessel-strale te genereer om die intensiteitsverspreiding van die laserbrandpuntveld te optimaliseer. Hierdie benadering verminder die aksiale intensiteitsgradiënt en verleng die brandpuntsafstand, waardeur die diepte-tot-breedte-verhouding van die termiese effekgebied wat deur die laser gevorm word, verhoog word. Gevolglik verminder dit die fokusseringsakkuraatheidsvereistes van die lasersweisstelsel, wat beide die sweiskwaliteit en -doeltreffendheid verbeter.

1. Die Generering en Parameterontwerp van Nie-Diffrakterende Bessel-balke

In 1987 het Durnin die eerste keer die nul-orde Bessel-straal voorgestel, wat unieke nie-diffraksie-eienskappe toon: die transversale ligveldintensiteitsverspreiding bly onveranderd tydens voortplanting, en die grootte van die sentrale kol is altyd naby die diffraksielimiet. Daarbenewens vertoon Bessel-strale ook 'n selfgenesende eienskap tydens voortplanting. Wanneer die sentrale kol geblokkeer word, sal die omliggende lig na die middelpunt konvergeer om die sentrale kol te "herstel". Die wiskundige uitdrukking vir die transversale ligveldverspreiding van 'n nul-orde Bessel-straal is:

In die uitdrukking:

• J0 verteenwoordig die nul-orde Bessel-funksie.
• r en φ is onderskeidelik die radiale en hoekkoördinaatelemente.
• z is die voortplantingsafstand.
• Kr en Kz is onderskeidelik die transversale en longitudinale golfvektorelemente.

Die sentrale hoofvlek van 'n nul-orde Bessel-straal het 'n sterk inperkingsvermoë, wat bestralingsvlakke van die orde van TW/cm² of hoër moontlik maak, wat effektief nie-lineêre absorpsie in materiale kan opwek. Meer belangrik, die nie-diffraksie-voortplantingseienskap van nul-orde Bessel-strale bied 'n groter fokusdiepte en 'n kleiner aksiale intensiteitsgradiënt, wat sodoende 'n byna eenvormige temperatuurveld skep en die vorming van sweisdefekte onderdruk.

Die volgende figuur toon 'n vergelyking van die brandpuntsafstand van Bessel-strale en Gauss-strale onder dieselfde transversale inperkingsvermoë. Bessel-strale beskik oor 'n aansienlike fokusdiepte terwyl 'n transversale mikronvlak-brandpuntdiameter gehandhaaf word.

Daar is verskeie metodes om nul-orde Bessel-strale te genereer, en die volgende drie hoofmetodes is algemeen:

Annulêre Apertuurmetode: Die annulêre diafragmametode, soos die naam aandui, behels die gebruik van 'n ringvormige spleet om Bessel-strale te produseer. Dit was ook die eerste suksesvolle metode vir die generering van Bessel-strale. Die diagram hieronder illustreer die annulêre diafragmametode vir die generering van Bessel-strale. 'n Vlakgolf val loodreg op die ringvormige spleet van links in en diffraksie vind plaas.

Daarna voer 'n positiewe lens 'n Fourier-transform uit, wat lei tot die vorming van 'n Bessel-straal agter die lens. Die nie-diffraksie-voortplantingsafstand Zmax hou verband met die diameter d van die ringvormige spleet en die numeriese lensopening.

Alhoewel hierdie metode nul-orde Bessel-strale kan genereer, is die energie-omskakelingsdoeltreffendheid uiters laag, wat dit moeilik maak om in laserverwerkingsvelde toe te pas.

Ruimtelike Ligmodulatormetode: Die genereringsproses van 'n nul-orde Bessel-straal is in wese 'n proses om die faseverspreiding van die straal te verander. Daarom kan 'n nul-orde Bessel-straal ook gegenereer word met behulp van 'n ruimtelike ligmodulator. 'n Ruimtelike ligmodulator is 'n tipe opto-elektroniese modulasietoestel wat die ligveld se intensiteit en faseverspreiding deur elektriese seine beheer. 'n Nul-orde Bessel-straal kan gegenereer word deur die koniese lensfase, soos in die figuur hieronder getoon, op die werkpaneel van die ruimtelike ligmodulator toe te pas.

Aksikonmetode: 'n Aksikon is een van die mees gebruikte passiewe glasgebaseerde diffraksie-elemente vir die opwekking van Bessel-strale. Wanneer 'n Gaussiese straal normaalweg op 'n aksikon inval en daardeur beweeg, word die faseverspreiding daarvan gemoduleer, wat dit omskep in 'n nulde-orde Bessel-straal sonder enige energieverlies, soos in die figuur hieronder getoon.

As gevolg van die lae koste, gebruiksgemak en hoë laserskadedrempel van glasaksikone, sowel as hul buitengewoon hoë energiebenuttingsdoeltreffendheid, is aksikone die primêre keuse vir die opwekking van ultrakort puls Bessel-strale in die veld van laserverwerking. Die figuur hieronder toon 'n skematiese voorstelling van die straalvernouing en transmissie van 'n nulde-orde Bessel-straal. Deur die vergroting en oriëntasie van die 4f-beeldstelsel aan te pas, kan die nie-diffraksie-voortplantingsafstand, die halfkeëlhoek en die kantelhoek in die voortplantingsrigting van die Bessel-straal maklik beheer word.

Wanneer 'n nulde-orde Bessel-straal met 'n halfkeëlhoek van Ɵ1 en 'n diffraksievrye voortplantingsafstand van Zmax deur 'n 4f-stelsel gaan wat bestaan ​​uit 'n lens (L1) en 'n objektieflens (L2), sal die geometriese dimensies verder saamgepers word. Die laterale vergroting is ongeveer M=f1/f2=5, en die longitudinale vergroting is ongeveer M2=25. Dus kan die finale beeldvorming van die nulde-orde Bessel-straal binne die monster deur die geometriese parameters voorgestel word:

Geometriese parameters van die Bessel-straal afgebeeld binne 'n kwartsglasmonster onder verskillende keëlhoeke en straalkompressievergrotings.

Fokusveldintensiteitsverspreiding van 'n Bessel-straal

• r en z: Radiale en aksiale koördinaatkomponente, onderskeidelik.
• λ: Sentrale golflengte van die laser.
• w: 1/e² radius van die invallende Gaussiese straal.
• P0: Piekkrag van die ultrakortpulslaser.
• β1: Halfkeëlhoek van die Bessel-balk na balkkompressie.
• k: Golfvektor.
• J0: Bessel-funksie van nulde orde.

Intensiteitsverspreiding van die nulde-orde Bessel-straal binne kwartsglas: Aan die linkerkant is die optiese drywingsdigtheidsverspreiding langs die voortplantingsrigting en die dwarssnitaansig, en aan die regterkant is die optiese drywingsdigtheidsverspreiding langs die as en die dwarssnitaansig.

2. Eienskappe van die Femtosekonde Puls Bessel-straal in Gesmelte Silikaglas

Figuur (a) toon die mikrograwe van die interaksie tussen femtosekonde-puls Bessel-strale en gesmelte silikaglas by verskillende pulsenergieë. Die laserpulswydte is vasgestel op 220 fs, en die halfkeëlhoek van die Bessel-straal binne die monster is 12.4°. Daar kan waargeneem word dat die laser-geaffekteerde gebied 'n tipiese eendimensionele lineêre struktuur vertoon. Wanneer die laserpulsenergie minder as 9.5 μJ is, neem die brekingsindeks van die materiaal in die brandpuntgebied toe, wat as 'n swart gebied in die mikrograaf verskyn.

Wanneer die laserpulsenergie 9.5 μJ oorskry, neem die brekingsindeks van die materiaal in die brandpuntgebied af, wat as 'n wit gebied in die mikrograaf verskyn, en die lengte van die wit gebied neem toe met toenemende pulsenergie. Deur die monster te poleer, het ons die morfologiese eienskappe van die wit gebied by 'n pulsenergie van 15.4 μJ onder 'n skandeerelektronmikroskoop waargeneem, soos getoon in Figuur (b). Daar kan afgelei word dat 'n nanoporie met 'n deursnee van ongeveer 200 nm in die gebied met 'n verminderde brekingsindeks gevorm word.

Deur ioonbundel-etsing en in-situ skandeerelektronmikroskoop-waarnemingstelsels het ons die teenwoordigheid van die nanoporie verder bevestig (Figuur c). Om die opwekking van laser-geïnduseerde defekte te verminder, moet die enkelpulsenergie dus nie 9.5 μJ tydens lasersweiswerk oorskry nie.

3. Die bereiking van hoëgehalte-mikrosweiswerk tussen gesmelte silikaglase met behulp van Bessel Ultrakort Pulslaser.

Figuur (a) toon 'n bo-aansig mikrograaf van die monster se sweisoppervlak. Daar kan gesien word dat die lasersweislyn uniform en glad is. Alhoewel daar steeds 'n paar lukraak verspreide mikroporie-defekte in die gesweisde area is, is dit oor die algemeen aansienlik beter as die Gaussiese lasersweislyn. Metings toon dat die sweislynwydte ongeveer 18 μm is, en die spasiëring tussen die sweislyne 40 μm is. Figuur (b) toon 'n sy-aansig mikrograaf van die monster se sweislyn.

Daar kan gesien word dat die gaping tussen die monsters heeltemal verdwyn na laserverwerking, en die materiaal naby die koppelvlak het in 'n enkele entiteit saamgesmelt nadat dit die termiese smelt-afkoelingsproses ondergaan het. Metings toon dat die diepte van die laser-geïnduseerde termiese smeltgebied tot 227 μm bereik. Dit dui daarop dat tydens lasersweising met hierdie parameters, die fokusposisie se aksiale diepte tot 227 μm kan bereik, wat vier keer dié van Gaussiese lasersweising onder dieselfde toestande is.

4. Waar kan ek Bessel-lense koop?

Wavelength Opto-Electronic bied hoëgehalte Bessel-lense wat in laserverwerkingstoepassings gebruik word. Die verstelbaarheid van die diepte van fokus van die uitsetstraal deur die grootte van die insetstraaldiameter aan te pas, is die aantreklikste kenmerk van hierdie Bessel-straal optiese stelsel.