Bessel bjælkedesignmetoder

For at materialerne på begge sider af grænsefladen kan smeltes samtidigt og etablere en mikroregionbinding med høj styrke, skal laserens fokuspunkt fokuseres præcist på prøven, hvilket stiller strenge krav til svejsesystemets bearbejdningsnøjagtighed. Derudover er fokusfeltets temperatur ujævn på grund af den store aksiale intensitetsgradient af den gaussiske stråle efter fokusering, hvilket gør det tilbøjeligt til at danne mikro- og nano-hulrumsdefekter i det laserberørte område, hvilket igen påvirker prøvens svejsekvalitet.

Rumlig lysformningsteknologi kan bruges til at generere Bessel-stråler af nulte orden for at optimere intensitetsfordelingen af ​​laserens fokusfelt. Denne tilgang reducerer den aksiale intensitetsgradient og forlænger brændvidden, hvorved dybde-til-bredde-forholdet i det termiske effektområde, der dannes af laseren, øges. Som et resultat reduceres kravene til fokuseringsnøjagtighed i lasersvejsesystemet, hvilket forbedrer både svejsekvaliteten og effektiviteten.

1. Generering og parameterdesign af ikke-diffrakterende Bessel-bjælker

I 1987 foreslog Durnin først Bessel-strålen af ​​nulte orden, som udviser unikke ikke-diffrakterende egenskaber: dens tværgående lysfeltintensitetsfordeling forbliver uændret under udbredelse, og størrelsen af ​​den centrale plet er altid tæt på diffraktionsgrænsen. Derudover udviser Bessel-stråler også en selvreparerende egenskab under udbredelse. Når den centrale plet blokeres, vil det omgivende lys konvergere mod midten for at "reparere" den centrale plet. Det matematiske udtryk for den tværgående lysfeltfordeling af en Bessel-stråle af nulte orden er:

I udtrykket:

• J0 repræsenterer Bessel-funktionen af ​​nulte orden.
• r og φ er henholdsvis de radiale og vinkelkoordinatelementer.
• z er udbredelsesafstanden.
• Kr og Kz er henholdsvis de transversale og longitudinale bølgevektorelementer.

Det centrale hovedpunkt i en Bessel-stråle af nulte orden har en stærk indeslutningsevne, der tillader bestrålingsniveauer i størrelsesordenen TW/cm² eller højere, hvilket effektivt kan excitere ikke-lineær absorption i materialer. Endnu vigtigere er det, at den ikke-diffrakterende udbredelseskarakteristik for Bessel-stråler af nulte orden giver en større fokusdybde og en mindre aksial intensitetsgradient, hvilket skaber et næsten ensartet temperaturfelt og undertrykker dannelsen af ​​svejsefejl.

Den følgende figur viser en sammenligning af brændvidden for Bessel-stråler og Gauss-stråler under samme tværgående indeslutningsevne. Bessel-stråler har en betydelig dybdeskarphed, samtidig med at de opretholder en tværgående brændpunktsdiameter på mikronniveau.

Der er flere metoder til at generere Bessel-stråler af nulte orden, og følgende tre hovedmetoder er almindelige:

Ringformet aperturmetode: Som navnet antyder, involverer den ringformede aperturmetode brugen af ​​en ringformet spalte til at producere Bessel-stråler. Dette var også den første succesfulde metode til at generere Bessel-stråler. Diagrammet nedenfor illustrerer den ringformede aperturmetode til generering af Bessel-stråler. En planbølge rammer vinkelret på den ringformede spalte fra venstre, og der opstår diffraktion.

Derefter udfører en positiv linse en Fourier-transformation, hvilket resulterer i dannelsen af ​​en Bessel-stråle bag linsen. Den ikke-diffrakterende udbredelsesafstand Zmax er relateret til diameteren d af den ringformede spalte og linsens numeriske apertur.

Selvom denne metode kan generere Bessel-stråler af nulte orden, er energiomdannelseseffektiviteten ekstremt lav, hvilket gør den vanskelig at anvende inden for laserbehandlingsfelter.

Spatial Light Modulator-metode: Genereringsprocessen for en nulteordens Bessel-stråle er i bund og grund en proces med at ændre strålens fasefordeling. Derfor kan en nulteordens Bessel-stråle også genereres ved hjælp af en spatial lysmodulator. En spatial lysmodulator er en type optoelektronisk moduleringsenhed, der styrer lysfeltets intensitet og fasefordeling gennem elektriske signaler. En nulteordens Bessel-stråle kan genereres ved at anvende den koniske linsefase, som vist i figuren nedenfor, på arbejdspanelet på den spatiale lysmodulator.

Axicon-metoden: En axicon er et af de mest almindeligt anvendte passive glasbaserede diffraktive elementer til generering af Bessel-stråler. Når en Gaussisk stråle normalt rammer og passerer gennem en axicon, moduleres dens fasefordeling, hvilket omdanner den til en Bessel-stråle af nulte orden uden energitab, som vist i figuren nedenfor.

På grund af den lave pris, brugervenlighed og høje laserskadetærskel for glasaksikoner, samt deres usædvanligt høje energiudnyttelseseffektivitet, er aksikoner det primære valg til generering af ultrakorte pulserede Bessel-stråler inden for laserbehandling. Figuren nedenfor viser en skematisk oversigt over stråleindsnævring og transmission af en nulteordens Bessel-stråle. Ved at justere forstørrelsen og orienteringen af ​​4f-billeddannelsessystemet kan den ikke-diffraktive udbredelsesafstand, halvkeglevinklen og hældningsvinklen i Bessel-strålens udbredelsesretning let kontrolleres.

Når en Bessel-stråle af nulte orden med en halvkeglevinkel på Ɵ1 og en diffraktionsfri udbredelsesafstand på Zmax passerer gennem et 4f-system bestående af en linse (L1) og en objektivlinse (L2), vil de geometriske dimensioner blive yderligere komprimeret. Den laterale forstørrelse er omtrent M=f1/f2=5, og den longitudinale forstørrelse er omtrent M2=25. Således kan den endelige billeddannelse af Bessel-strålen af ​​nulte orden inde i prøven repræsenteres af de geometriske parametre:

Geometriske parametre for Bessel-strålen afbildet inde i en kvartsglasprøve under forskellige keglevinkler og strålekompressionsforstørrelser.

Fokusfeltintensitetsfordeling af en Bessel-stråle

• r og z: Henholdsvis radiale og aksiale koordinatkomponenter.
• λ: Laserens centrale bølgelængde.
• w: 1/e² radius af den indfaldende Gaussiske stråle.
• P0: Spidseffekten af ​​den ultrakorte pulslaser.
• β1: Halvkeglevinkel for Bessel-strålen efter strålekompression.
• k: Bølgevektor.
• J0: Bessel-funktion af nulte orden.

Intensitetsfordeling af Bessel-strålen af ​​nulte orden inde i kvartsglas: Til venstre er den optiske effekttæthedsfordeling langs udbredelsesretningen og tværsnitsvisningen, og til højre er den optiske effekttæthedsfordeling langs aksen og tværsnitsvisningen

2. Karakteristika for femtosekundpuls-Besselstrålen i smeltet silicaglas

Figur (a) viser mikrografer af interaktionen mellem femtosekundpulserede Bessel-stråler og smeltet silicaglas ved forskellige pulsenergier. Laserpulsbredden er fastsat til 220 fs, og halvkeglevinklen for Bessel-strålen inde i prøven er 12,4°. Det kan observeres, at det laserberørte område udviser en typisk endimensionel lineær struktur. Når laserpulsenergien er mindre end 9,5 μJ, øges materialets brydningsindeks i fokusområdet og fremstår som et sort område i mikrografen.

Når laserpulsenergien overstiger 9,5 μJ, falder materialets brydningsindeks i fokusområdet og fremstår som et hvidt område på mikrofotografiet, og længden af ​​det hvide område øges med stigende pulsenergi. Ved at polere prøven observerede vi de morfologiske egenskaber ved det hvide område ved en pulsenergi på 15,4 μJ under et scanningselektronmikroskop, som vist i figur (b). Det kan konkluderes, at der dannes en nanopore med en diameter på cirka 200 nm i området med et reduceret brydningsindeks.

Gennem ionstråleætsning og in-situ scanningselektronmikroskopobservationssystemer bekræftede vi yderligere tilstedeværelsen af ​​nanoporerne (figur c). For at minimere dannelsen af ​​laserinducerede defekter bør den enkelte pulsenergi derfor ikke overstige 9,5 μJ under lasersvejsning.

3. Opnåelse af mikrosvejsning af høj kvalitet mellem smeltede silicaglas ved hjælp af Bessel Ultrashort Pulse Laser.

Figur (a) viser et mikrografi af prøvens svejseoverflade set ovenfra. Det kan ses, at lasersvejselinjen er ensartet og glat. Selvom der stadig er et par tilfældigt fordelte mikroporedefekter i det svejsede område, er den samlet set betydeligt bedre end den gaussiske lasersvejselinje. Målinger viser, at svejselinjens bredde er cirka 18 μm, og afstanden mellem svejselinjerne er 40 μm. Figur (b) viser et mikrografi af prøvens svejselinje set fra siden.

Det kan ses, at mellemrummet mellem prøverne forsvinder fuldstændigt efter laserbehandling, og materialet nær grænsefladen er smeltet sammen til én enhed efter at have gennemgået den termiske smeltnings- og afkølingsproces. Målinger viser, at dybden af ​​det laserinducerede termiske smeltningsområde når op til 227 μm. Dette indikerer, at under lasersvejsning med disse parametre kan fokuspositionens aksiale dybde nå op til 227 μm, hvilket er fire gange så meget som ved Gaussisk lasersvejsning under de samme forhold.

4. Hvor kan man købe Bessel-objektiver?

Wavelength Opto-Electronic tilbyder Bessel-linser af høj kvalitet, der anvendes i laserbehandlingsapplikationer. Justerbarheden af ​​​​fokusdybden på udgangsstrålen ved at justere størrelsen på indgangsstrålens diameter er den mest attraktive egenskab ved dette Bessel-stråleoptiske system.