Ontwerpmethoden voor Bessel-balken

Om de materialen aan beide zijden van het grensvlak gelijktijdig te smelten en een zeer sterke microverbinding tot stand te brengen, moet het laserfocuspunt nauwkeurig op het monster worden gericht. Dit stelt hoge eisen aan de verwerkingsnauwkeurigheid van het lassysteem. Bovendien is de temperatuur in het focusveld ongelijkmatig vanwege de grote axiale intensiteitsgradiënt van de Gaussische bundel na focussering. Dit maakt het gebied gevoeliger voor de vorming van micro- en nanoholtes in het laserbeïnvloede gebied, wat op zijn beurt de laskwaliteit van het monster beïnvloedt.

Ruimtelijke lichtvormingstechnologie kan worden gebruikt om nulde-orde Besselbundels te genereren en zo de intensiteitsverdeling van het laserfocusveld te optimaliseren. Deze aanpak vermindert de axiale intensiteitsgradiënt en verlengt de brandpuntsafstand, waardoor de diepte-breedteverhouding van het door de laser gevormde thermische effectgebied toeneemt. Hierdoor worden de eisen aan de focusnauwkeurigheid van het laserlassysteem verlaagd, wat zowel de laskwaliteit als de efficiëntie verbetert.

1. De generatie en parameterontwerp van niet-diffracterende Bessel-bundels

In 1987 introduceerde Durnin voor het eerst de nulde-orde Besselbundel, die unieke niet-diffractieve eigenschappen vertoont: de transversale lichtveldintensiteitsverdeling blijft onveranderd tijdens de propagatie en de grootte van de centrale vlek ligt altijd dicht bij de diffractielimiet. Bovendien vertonen Besselbundels ook een zelfherstellende eigenschap tijdens de propagatie. Wanneer de centrale vlek wordt geblokkeerd, convergeert het omringende licht naar het centrum om de centrale vlek te "repareren". De wiskundige uitdrukking voor de transversale lichtveldverdeling van een nulde-orde Besselbundel is:

In de uitdrukking:

• J0 staat voor de Bessel-functie van nulde orde.
• r en φ zijn respectievelijk de radiale en hoekcoördinaatelementen.
• z is de voortplantingsafstand.
• Kr en Kz zijn respectievelijk de transversale en longitudinale golfvectorelementen.

De centrale focus van een nulde-orde Besselbundel heeft een sterk bundelend vermogen, waardoor bestralingsniveaus van de orde van TW/cm² of hoger mogelijk zijn. Dit kan effectief niet-lineaire absorptie in materialen opwekken. Belangrijker nog, de niet-diffracterende voortplantingseigenschap van nulde-orde Besselbundels zorgt voor een grotere scherptediepte en een kleinere axiale intensiteitsgradiënt, waardoor een vrijwel uniform temperatuurveld ontstaat en de vorming van lasfouten wordt onderdrukt.

De volgende afbeelding toont een vergelijking van de brandpuntsafstand van Besselbundels en Gaussbundels bij dezelfde transversale bundelingscapaciteit. Besselbundels hebben een aanzienlijke scherptediepte, terwijl de transversale brandpuntsdiameter op micronniveau blijft.

Er bestaan ​​verschillende methoden om nulde-orde Besselbundels te genereren, en de volgende drie belangrijkste methoden worden veel gebruikt:

Ringvormige-openingmethode: De ringvormige-openingmethode, zoals de naam al suggereert, maakt gebruik van een ringvormige spleet om Besselbundels te produceren. Dit was tevens de eerste succesvolle methode voor het genereren van Besselbundels. Het onderstaande diagram illustreert de ringvormige-openingmethode voor het genereren van Besselbundels. Een vlakke golf valt loodrecht van links op de ringvormige spleet en er treedt diffractie op.

Vervolgens voert een positieve lens een Fourier-transformatie uit, wat resulteert in de vorming van een Besselbundel achter de lens. De niet-diffractieve voortplantingsafstand Zmax is gerelateerd aan de diameter d van de ringvormige spleet en de numerieke apertuur van de lens.

Hoewel deze methode nulde-orde Bessel-bundels kan genereren, is het energieomzettingsrendement extreem laag, waardoor de methode moeilijk toepasbaar is in laserbewerkingsprocessen.

Methode met ruimtelijke lichtmodulator: Het genereren van een nulde-orde Besselbundel is in essentie een proces van het wijzigen van de faseverdeling van de bundel. Daarom kan een nulde-orde Besselbundel ook worden gegenereerd met behulp van een ruimtelijke lichtmodulator. Een ruimtelijke lichtmodulator is een type opto-elektronisch modulatieapparaat dat de intensiteit en faseverdeling van het lichtveld regelt door middel van elektrische signalen. Een nulde-orde Besselbundel kan worden gegenereerd door de fase van de conische lens, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, aan te leggen op het werkpaneel van de ruimtelijke lichtmodulator.

Axiconmethode: Een axicon is een van de meest gebruikte passieve, op glas gebaseerde diffractie-elementen voor het genereren van Besselbundels. Wanneer een Gaussische bundel loodrecht op een axicon valt en erdoorheen gaat, wordt de faseverdeling gemoduleerd, waardoor deze zonder energieverlies wordt omgezet in een Besselbundel van nulde orde, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Door de lage kosten, het gebruiksgemak en de hoge laserschadedrempel van glazen axicons, evenals hun uitzonderlijk hoge energiebenuttingsefficiëntie, zijn axicons de eerste keuze voor het genereren van ultrakorte Bessel-pulsen in de laserbewerking. De onderstaande afbeelding toont een schematische weergave van de bundelvernauwing en transmissie van een nulde-orde Bessel-bundel. Door de vergroting en oriëntatie van het 4f-beeldvormingssysteem aan te passen, kunnen de niet-diffractieve voortplantingsafstand, de halve kegelhoek en de kantelhoek in de voortplantingsrichting van de Bessel-bundel eenvoudig worden geregeld.

Wanneer een nulde-orde Besselbundel met een halve kegelhoek van Ɵ1 en een diffractievrije voortplantingsafstand van Zmax door een 4f-systeem gaat, bestaande uit een lens (L1) en een objectieflens (L2), worden de geometrische afmetingen verder gecomprimeerd. De laterale vergroting is ongeveer M=f1/f2=5 en de longitudinale vergroting is ongeveer M2=25. De uiteindelijke beeldvorming van de nulde-orde Besselbundel in het monster kan dus worden weergegeven door de geometrische parameters:

Geometrische parameters van de Besselbundel afgebeeld in een kwartsglazen monster bij verschillende kegelhoeken en bundelcompressievergrotingen.

Focusveldintensiteitsverdeling van een Besselbundel

• r en z: respectievelijk de radiale en axiale coördinaatcomponenten.
• λ: Centrale golflengte van de laser.
• w: 1/e² straal van de invallende Gaussische bundel.
• P0: Piekvermogen van de ultrakorte pulslaser.
• β1: Halve kegelhoek van de Besselbundel na bundelcompressie.
• k: Golfvector.
• J0: Bessel-functie van nulde orde.

Intensiteitsverdeling van de nulde-orde Besselbundel in kwartsglas: Links de verdeling van de optische vermogensdichtheid langs de voortplantingsrichting en de dwarsdoorsnede, en rechts de verdeling van de optische vermogensdichtheid langs de as en de dwarsdoorsnede.

2. Kenmerken van de femtoseconde-puls-Besselbundel in gesmolten silicaglas

Figuur (a) toont de microfoto's van de interactie tussen femtoseconde-pulsen van Besselbundels en gesmolten silicaglas bij verschillende pulsenergieën. De laserpulsbreedte is vastgesteld op 220 fs en de halve kegelhoek van de Besselbundel in het monster is 12,4°. Het is te zien dat het door de laser beïnvloede gebied een typische eendimensionale lineaire structuur vertoont. Wanneer de laserpulsenergie lager is dan 9,5 μJ, neemt de brekingsindex van het materiaal in het focusgebied toe, wat zichtbaar is als een zwart gebied in de microfoto.

Wanneer de energie van de laserpuls hoger is dan 9,5 μJ, neemt de brekingsindex van het materiaal in het focusgebied af, wat zichtbaar wordt als een wit gebied in de microfoto. De lengte van dit witte gebied neemt toe met toenemende pulsenergie. Door het monster te polijsten, hebben we de morfologische kenmerken van het witte gebied bij een pulsenergie van 15,4 μJ onder een scanningelektronenmicroscoop waargenomen, zoals weergegeven in figuur (b). Hieruit kan worden geconcludeerd dat in het gebied met een verlaagde brekingsindex een nanoporie met een diameter van ongeveer 200 nm wordt gevormd.

Door middel van ionenbundel-etsen en in-situ observatie met een scanningelektronenmicroscoop hebben we de aanwezigheid van de nanoporie verder bevestigd (Figuur c). Om de vorming van door laser geïnduceerde defecten te minimaliseren, mag de energie van een enkele puls tijdens laserlassen daarom niet meer dan 9,5 μJ bedragen.

3. Het bereiken van hoogwaardige micro-lassen tussen gesmolten silicaglas met behulp van een Bessel ultrakorte pulslaser.

Figuur (a) toont een bovenaanzichtmicrofoto van het lasoppervlak van het monster. Het is te zien dat de laserlaslijn uniform en glad is. Hoewel er nog steeds enkele willekeurig verdeelde microporiën in het lasgebied aanwezig zijn, is het resultaat over het algemeen aanzienlijk beter dan bij een Gaussische laserlaslijn. Metingen tonen aan dat de breedte van de laslijn ongeveer 18 μm is en de afstand tussen de laslijnen 40 μm bedraagt. Figuur (b) toont een zijaanzichtmicrofoto van de laslijn van het monster.

Het is te zien dat de opening tussen de monsters na laserbewerking volledig verdwijnt en dat het materiaal nabij het grensvlak na het thermische smelt- en afkoelingsproces tot één geheel is samengesmolten. Metingen tonen aan dat de diepte van het door de laser geïnduceerde thermische smeltgebied tot 227 μm kan bedragen. Dit betekent dat bij laserlassen met deze parameters de axiale diepte van het focuspunt tot 227 μm kan reiken, wat vier keer zo groot is als bij Gaussiaans laserlassen onder dezelfde omstandigheden.

4. Waar kan ik Bessel-lenzen kopen?

Wavelength Opto-Electronic biedt hoogwaardige Bessel-lenzen die worden gebruikt in laserbewerkingstoepassingen. De instelbaarheid van de scherptediepte van de uitgaande straal door aanpassing van de diameter van de ingaande straal is de meest aantrekkelijke eigenschap van dit optische Bessel-systeem.