Bessel nurlarini loyihalash usullari

Interfeysning ikkala tomonidagi materiallarni bir vaqtning o'zida eritib, yuqori kuchli mikro-mintaqaviy bog'lanishni o'rnatish uchun lazer fokus nuqtasi namunaga aniq yo'naltirilgan bo'lishi kerak, bu esa payvandlash tizimining ishlov berish aniqligiga qat'iy talablar qo'yadi. Bundan tashqari, fokuslashdan keyin Gauss nurining katta eksenel intensivlik gradiyenti tufayli fokus maydoni harorati notekis bo'lib, lazer ta'sirlangan mintaqada mikro va nano-bo'shliqlar hosil bo'lishiga moyil bo'ladi, bu esa o'z navbatida namunaning payvandlash sifatiga ta'sir qiladi.

Lazer fokus maydonining intensivlik taqsimotini optimallashtirish uchun fazoviy yorug'likni shakllantirish texnologiyasidan nol tartibli Bessel nurlarini yaratish uchun foydalanish mumkin. Bu yondashuv eksenel intensivlik gradiyentini kamaytiradi va fokus uzunligini kengaytiradi, shu bilan lazer tomonidan hosil qilingan issiqlik effekti mintaqasining chuqurlikdan kenglikka nisbatini oshiradi. Natijada, u lazerli payvandlash tizimining fokuslash aniqligi talablarini kamaytiradi, payvandlash sifati va samaradorligini oshiradi.

1. Difraktsiyalanmaydigan Bessel nurlarini yaratish va parametrlarni loyihalash

1987-yilda Durnin birinchi marta nol tartibli Bessel nurini taklif qildi, bu noyob diffraktsiyalanmaydigan xususiyatlarni ko'rsatadi: uning ko'ndalang yorug'lik maydoni intensivligining taqsimoti tarqalish paytida o'zgarishsiz qoladi va markaziy nuqtaning kattaligi har doim diffraktsiya chegarasiga yaqin bo'ladi. Bundan tashqari, Bessel nurlari tarqalish paytida o'z-o'zini tiklash xususiyatini ham namoyish etadi. Markaziy nuqta tiqilib qolganda, atrofdagi yorug'lik markaziy nuqtani "ta'mirlash" uchun markazga yaqinlashadi. Nol tartibli Bessel nurining ko'ndalang yorug'lik maydoni taqsimoti uchun matematik ifoda quyidagicha:

Ifodada:

• J0 nol tartibli Bessel funktsiyasini ifodalaydi.
• r va φ mos ravishda radial va burchak koordinata elementlari hisoblanadi.
• z - tarqalish masofasi.
• Kr va Kz mos ravishda ko'ndalang va bo'ylama to'lqin vektor elementlari hisoblanadi.

Nol tartibli Bessel nurining markaziy asosiy nuqtasi kuchli cheklash qobiliyatiga ega bo'lib, TW/sm² yoki undan yuqori darajadagi nurlanish darajalarini ta'minlaydi, bu esa materiallarda chiziqli bo'lmagan yutilishni samarali ravishda qo'zg'atishi mumkin. Eng muhimi, nol tartibli Bessel nurlarining diffraktsiyasiz tarqalish xususiyati kattaroq fokus chuqurligini va kichikroq eksenel intensivlik gradiyentini ta'minlaydi, shu bilan deyarli bir xil harorat maydonini yaratadi va payvandlash nuqsonlarining shakllanishini bostiradi.

Quyidagi rasmda Bessel nurlari va Gauss nurlarining fokus masofasining bir xil ko'ndalang cheklash qobiliyati ostida taqqoslanishi ko'rsatilgan. Bessel nurlari ko'ndalang mikron darajasidagi fokus nuqta diametrini saqlab qolish bilan birga sezilarli darajada fokus chuqurligiga ega.

Nol tartibli Bessel nurlarini yaratishning bir nechta usullari mavjud va quyidagi uchta asosiy usul keng tarqalgan:

Halqasimon diafragma usuli: Nomidan ko'rinib turibdiki, halqasimon diafragma usuli Bessel nurlarini hosil qilish uchun halqasimon yoriqdan foydalanishni o'z ichiga oladi. Bu, shuningdek, Bessel nurlarini hosil qilishning birinchi muvaffaqiyatli usuli edi. Quyidagi diagrammada Bessel nurlarini hosil qilish uchun halqasimon diafragma usuli ko'rsatilgan. Tekis to'lqin halqasimon yoriqqa chapdan perpendikulyar ravishda tushadi va difraksiya sodir bo'ladi.

Keyinchalik, musbat linza Furye konvertatsiyasini amalga oshiradi, natijada linza orqasida Bessel nuri hosil bo'ladi. Difraktsiyalanmaydigan tarqalish masofasi Zmax halqasimon yoriqning diametri d va linzaning raqamli diafragmasi bilan bog'liq.

Bu usul nol tartibli Bessel nurlarini yaratishi mumkin bo'lsa-da, energiyani konvertatsiya qilish samaradorligi juda past, bu esa lazer bilan ishlov berish sohalarida qo'llashni qiyinlashtiradi.

Fazoviy yorug'lik modulyatori usuli: Nol tartibli Bessel nurini yaratish jarayoni asosan nurning fazaviy taqsimotini o'zgartirish jarayonidir. Shuning uchun, nol tartibli Bessel nurini fazoviy yorug'lik modulyatori yordamida ham yaratish mumkin. Fazoviy yorug'lik modulyatori yorug'lik maydonining intensivligi va elektr signallari orqali fazaviy taqsimotni boshqaradigan optoelektronik modulyatsiya qurilmasining bir turidir. Nol tartibli Bessel nurini quyidagi rasmda ko'rsatilgandek, fazoviy yorug'lik modulyatorining ishchi paneliga konussimon linza fazasini qo'llash orqali yaratish mumkin.

Aksikon usuli: Aksikon Bessel nurlarini hosil qilish uchun eng ko'p ishlatiladigan passiv shisha asosidagi difraksion elementlardan biridir. Gauss nuri odatda aksikonga tushganda va undan o'tganda, uning fazaviy taqsimoti modulyatsiya qilinadi va quyidagi rasmda ko'rsatilgandek, uni hech qanday energiya yo'qotmasdan nol tartibli Bessel nuriga aylantiradi.

Shisha aksikonlarning arzonligi, foydalanish qulayligi va yuqori lazer shikastlanish chegarasi, shuningdek, ularning juda yuqori energiya sarflash samaradorligi tufayli aksikonlar lazer ishlov berish sohasida ultra qisqa impulsli Bessel nurlarini yaratish uchun asosiy tanlovdir. Quyidagi rasmda nol tartibli Bessel nurining nur torayishi va uzatilishi sxemasi ko'rsatilgan. 4f tasvirlash tizimining kattalashtirish va yo'nalishini sozlash orqali Bessel nurining tarqalish yo'nalishidagi diffraktiv bo'lmagan tarqalish masofasi, yarim konus burchagi va qiyalik burchagi osongina boshqarilishi mumkin.

Yarim konus burchagi Ɵ1 va difraktsiyasiz tarqalish masofasi Zmax bo'lgan nol tartibli Bessel nuri linza (L1) va obyektiv linzadan (L2) tashkil topgan 4f tizimidan o'tganda, geometrik o'lchamlar yanada siqiladi. Yon kattalashtirish taxminan M=f1/f2=5 ga, bo'ylama kattalashtirish esa taxminan M2=25 ga teng. Shunday qilib, namuna ichidagi nol tartibli Bessel nurining yakuniy tasvirini geometrik parametrlar bilan ifodalash mumkin:

Kvarts shisha namunasi ichida turli konus burchaklari va nurni siqish kattalashtirishlari ostida tasvirlangan Bessel nurining geometrik parametrlari.

Bessel nurining fokus maydoni intensivligining taqsimoti

• r va z: mos ravishda radial va eksenel koordinata komponentlari.
• λ: Lazerning markaziy to'lqin uzunligi.
• w: tushayotgan Gauss nurining 1/e² radiusi.
• P0: Ultra qisqa impulsli lazerning eng yuqori quvvati.
• β1: Bessel nurining nur siqilgandan keyingi yarim konus burchagi.
• k: To'lqin vektori.
• J0: Nol tartibli Bessel funksiyasi.

Kvarts shishasi ichidagi nol tartibli Bessel nurining intensivlik taqsimoti: Chapda tarqalish yo'nalishi bo'yicha optik quvvat zichligi taqsimoti va ko'ndalang kesim ko'rinishi, o'ngda esa o'q bo'ylab optik quvvat zichligi taqsimoti va ko'ndalang kesim ko'rinishi joylashgan.

2. Eritilgan kremniy shishasidagi femtosekundli impulsli Bessel nurining xususiyatlari

(a)-rasmda turli impuls energiyalarida femtosekundli impulsli Bessel nurlari va eritilgan kremniy oynasi o'rtasidagi o'zaro ta'sirning mikrograflari ko'rsatilgan. Lazer impulsi kengligi 220 fs da o'zgarmas va namunadagi Bessel nurining yarim konus burchagi 12,4° ni tashkil qiladi. Lazer ta'sirlangan mintaqa odatiy bir o'lchovli chiziqli tuzilishga ega ekanligini kuzatish mumkin. Lazer impulsi energiyasi 9,5 μJ dan kam bo'lganda, fokus mintaqasidagi materialning sinish ko'rsatkichi oshadi va mikrografda qora mintaqa sifatida ko'rinadi.

Lazer impuls energiyasi 9,5 μJ dan oshganda, fokus mintaqasidagi materialning sinish ko'rsatkichi pasayadi, mikrografda oq mintaqa sifatida ko'rinadi va oq mintaqaning uzunligi impuls energiyasi ortishi bilan ortadi. Namunani sayqallash orqali biz (b-rasmda) ko'rsatilgandek, skanerlovchi elektron mikroskop ostida 15,4 μJ impuls energiyasida oq mintaqaning morfologik xususiyatlarini kuzatdik. Xulosa qilish mumkinki, sinish ko'rsatkichi pasaygan mintaqada diametri taxminan 200 nm bo'lgan nanopor hosil bo'ladi.

Ion nurlarini o'yib ishlov berish va in-situ skanerlash elektron mikroskopini kuzatish tizimlari orqali biz nanopor mavjudligini yana bir bor tasdiqladik (c-rasm). Shuning uchun, lazer ta'sirida yuzaga keladigan nuqsonlarning paydo bo'lishini minimallashtirish uchun lazer bilan payvandlash paytida bitta impuls energiyasi 9,5 μJ dan oshmasligi kerak.

3. Bessel Ultrashort Pulse Laser yordamida eritilgan kremniy oynalar orasida yuqori sifatli mikropayvandlashga erishish.

(a)-rasmda namunaning payvandlash yuzasining yuqoridan ko'rinadigan mikrografi ko'rsatilgan. Lazerli payvandlash chizig'i bir tekis va silliq ekanligini ko'rish mumkin. Payvandlangan sohada hali ham tasodifiy taqsimlangan bir nechta mikrog'ovak nuqsonlar mavjud bo'lsa-da, umuman olganda, u Gauss lazerli payvandlash chizig'idan ancha yaxshi. O'lchovlar shuni ko'rsatadiki, payvandlash chizig'ining kengligi taxminan 18 mkm va payvandlash chiziqlari orasidagi masofa 40 mkm. (b)-rasmda namunaning payvandlash chizig'ining yondan ko'rinadigan mikrografi ko'rsatilgan.

Ko'rinib turibdiki, lazer bilan ishlov berilgandan so'ng namunalar orasidagi bo'shliq butunlay yo'qoladi va interfeys yaqinidagi material termal eritish-sovutish jarayonidan o'tgandan so'ng bitta jismga birlashadi. O'lchovlar shuni ko'rsatadiki, lazer ta'sirida hosil bo'lgan termal eritish mintaqasining chuqurligi 227 mkm gacha yetadi. Bu shuni ko'rsatadiki, ushbu parametrlar bilan lazer bilan payvandlash paytida fokus pozitsiyasining o'q chuqurligi 227 mkm gacha yetishi mumkin, bu xuddi shu sharoitlarda Gauss lazerli payvandlashdan to'rt baravar ko'p.

4. Bessel linzalarini qayerdan sotib olish mumkin?

Wavelength Opto-Electronic lazerli ishlov berish dasturlarida qo'llaniladigan yuqori sifatli Bessel linzalarini taklif etadi. Kirish nuri diametrining o'lchamini sozlash orqali chiqish nurining fokus chuqurligini sozlash imkoniyati ushbu Bessel nur optik tizimining eng jozibali xususiyati hisoblanadi.