Metode načrtovanja Besselovih nosilcev

Za sočasno taljenje materialov na obeh straneh vmesnika in vzpostavitev visoko trdne mikroregijske vezi mora biti laserska goriščna točka natančno fokusirana na vzorec, kar nalaga stroge zahteve glede natančnosti obdelave varilnega sistema. Poleg tega je zaradi velikega aksialnega gradienta intenzivnosti Gaussovega žarka po fokusiranju temperatura goriščnega polja neenakomerna, zaradi česar je nagnjena k nastanku mikro- in nano-praznin v lasersko prizadetem območju, kar posledično vpliva na kakovost varjenja vzorca.

Tehnologija prostorskega oblikovanja svetlobe se lahko uporablja za ustvarjanje Besselovih žarkov ničelnega reda za optimizacijo porazdelitve intenzivnosti laserskega goriščnega polja. Ta pristop zmanjša aksialni gradient intenzivnosti in podaljša goriščno razdaljo, s čimer se poveča razmerje med globino in širino območja toplotnega učinka, ki ga tvori laser. Posledično se zmanjšajo zahteve glede natančnosti fokusiranja laserskega varilnega sistema, kar izboljša tako kakovost kot učinkovitost varjenja.

1. Generiranje in načrtovanje parametrov nedifrakcijskih Besselovih žarkov

Leta 1987 je Durnin prvi predlagal Besselov žarek ničelnega reda, ki kaže edinstvene lastnosti nedifrakcije: njegova prečna porazdelitev intenzivnosti svetlobnega polja med širjenjem ostane nespremenjena, velikost osrednje pege pa je vedno blizu difrakcijske meje. Poleg tega Besselovi žarki med širjenjem kažejo tudi lastnost samozdravljenja. Ko je osrednja pega ovirana, se okoliška svetloba zbliža proti središču, da "popravi" osrednjo pego. Matematični izraz za prečno porazdelitev svetlobnega polja Besselovega žarka ničelnega reda je:

V izrazu:

• J0 predstavlja Besselovo funkcijo ničelnega reda.
• r in φ sta radialni oziroma kotni koordinatni element.
• z je razdalja širjenja.
• Kr in Kz sta prečni oziroma vzdolžni element valovnega vektorja.

Osrednja glavna točka Besselovega žarka ničelnega reda ima močno sposobnost omejevanja, kar omogoča ravni obsevanja reda velikosti TW/cm² ali več, kar lahko učinkovito vzbudi nelinearno absorpcijo v materialih. Še pomembneje je, da značilnost nedifrakcijskega širjenja Besselovih žarkov ničelnega reda zagotavlja večjo globinsko ostrenje in manjši aksialni gradient intenzivnosti, s čimer se ustvari skoraj enakomerno temperaturno polje in prepreči nastanek varilnih napak.

Naslednja slika prikazuje primerjavo goriščne razdalje Besselovih in Gaussovih žarkov pri enaki prečni omejitvi. Besselovi žarki imajo precejšnjo globinsko ostrenje, hkrati pa ohranjajo prečni premer goriščne točke na ravni mikrona.

Obstaja več metod za generiranje Besselovih žarkov ničelnega reda, pogoste pa so naslednje tri glavne metode:

Metoda obročaste aperture: Metoda obročaste aperture, kot že ime pove, vključuje uporabo obročaste reže za ustvarjanje Besselovih žarkov. To je bila tudi prva uspešna metoda za ustvarjanje Besselovih žarkov. Spodnji diagram prikazuje metodo obročaste aperture za ustvarjanje Besselovih žarkov. Ravni val pada pravokotno na obročasto režo z leve in pride do uklona.

Nato pozitivna leča izvede Fourierjevo transformacijo, kar povzroči nastanek Besselovega žarka za lečo. Nedifrakcijska razdalja širjenja Zmax je povezana s premerom d obročaste reže in numerično aperturo leče.

Čeprav lahko ta metoda ustvari Besselove žarke ničelnega reda, je učinkovitost pretvorbe energije izjemno nizka, zaradi česar je težko uporabiti na področjih laserske obdelave.

Metoda prostorskega modulatorja svetlobe: Postopek generiranja Besselovega žarka ničelnega reda je v bistvu postopek spreminjanja fazne porazdelitve žarka. Zato je mogoče Besselov žarek ničelnega reda generirati tudi z uporabo prostorskega modulatorja svetlobe. Prostorski modulator svetlobe je vrsta optoelektronske modulacijske naprave, ki nadzoruje intenzivnost svetlobnega polja in fazno porazdelitev z električnimi signali. Besselov žarek ničelnega reda je mogoče generirati z uporabo stožčaste faze leče, kot je prikazano na spodnji sliki, na delovni plošči prostorskega modulatorja svetlobe.

Metoda z aksikonom: Aksikon je eden najpogosteje uporabljenih pasivnih difrakcijskih elementov na osnovi stekla za generiranje Besselovih žarkov. Ko Gaussov žarek normalno pade na aksikon in prehaja skozenj, se njegova fazna porazdelitev modulira in ga pretvori v Besselov žarek ničelnega reda brez izgube energije, kot je prikazano na spodnji sliki.

Zaradi nizkih stroškov, enostavne uporabe in visokega praga laserske poškodbe steklenih aksikonov, kot tudi zaradi izjemno visoke učinkovitosti izrabe energije, so aksikoni glavna izbira za generiranje ultrakratkih impulznih Besselovih žarkov na področju laserske obdelave. Spodnja slika prikazuje shemo zoženja in prenosa Besselovega žarka ničelnega reda. Z nastavitvijo povečave in orientacije slikovnega sistema 4f je mogoče enostavno nadzorovati nedifrakcijsko razdaljo širjenja, kot pol stožca in kot nagiba v smeri širjenja Besselovega žarka.

Ko Besselov žarek ničelnega reda s kotom polstožca Ɵ1 in razdaljo širjenja brez uklona Zmax prehaja skozi sistem 4f, sestavljen iz leče (L1) in objektiva (L2), se geometrijske dimenzije še dodatno stisnejo. Prečna povečava je približno M=f1/f2=5, vzdolžna povečava pa približno M2=25. Tako lahko končno sliko Besselovega žarka ničelnega reda znotraj vzorca predstavimo z geometrijskimi parametri:

Geometrijski parametri Besselovega žarka, posnetega znotraj vzorca kremenčevega stekla pod različnimi koti stožca in povečavami kompresije žarka.

Porazdelitev intenzivnosti fokusnega polja Besselovega žarka

• r in z: Radialna in aksialna koordinatna komponenta.
• λ: Centralna valovna dolžina laserja.
• w: polmer 1/e² vpadnega Gaussovega žarka.
• P0: Najvišja moč ultrakratkega pulznega laserja.
• β1: Kot polstožca Besselovega nosilca po stiskanju nosilca.
• k: Valovni vektor.
• J0: Besselova funkcija ničelnega reda.

Porazdelitev intenzivnosti Besselovega žarka ničelnega reda znotraj kremenčevega stekla: Na levi sta porazdelitev gostote optične moči vzdolž smeri širjenja in prečni prerez, na desni pa porazdelitev gostote optične moči vzdolž osi in prečni prerez.

2. Značilnosti femtosekundnega impulznega Besselovega žarka v taljenem silicijevem steklu

Slika (a) prikazuje mikrografije interakcije med femtosekundnimi impulznimi Besselovimi žarki in taljenim silicijevim steklom pri različnih energijah impulzov. Širina laserskega impulza je fiksna na 220 fs, kot polstožca Besselovega žarka znotraj vzorca pa je 12,4°. Opazimo lahko, da ima lasersko prizadeto območje tipično enodimenzionalno linearno strukturo. Ko je energija laserskega impulza manjša od 9,5 μJ, se lomni količnik materiala v goriščnem območju poveča in se na mikrografiji pojavi kot črno območje.

Ko energija laserskega impulza preseže 9,5 μJ, se lomni količnik materiala v goriščnem območju zmanjša in se na mikrografiji pojavi kot belo območje, dolžina belega območja pa se z naraščajočo energijo impulza povečuje. S poliranjem vzorca smo pod vrstičnim elektronskim mikroskopom opazovali morfološke značilnosti belega območja pri energiji impulza 15,4 μJ, kot je prikazano na sliki (b). Sklepamo lahko, da se v območju z zmanjšanim lomnim količnikom tvori nanopora s premerom približno 200 nm.

Z jedkanjem z ionskim žarkom in opazovalnimi sistemi z in situ vrstičnim elektronskim mikroskopom smo dodatno potrdili prisotnost nanopor (slika c). Zato za zmanjšanje nastanka lasersko povzročenih napak energija posameznega impulza med laserskim varjenjem ne sme presegati 9,5 μJ.

3. Doseganje visokokakovostnega mikrovarjenja med taljenimi silicijevimi stekli z uporabo Besselovega ultrakratkega pulznega laserja.

Slika (a) prikazuje mikrografijo varjene površine vzorca v pogledu od zgoraj. Vidimo lahko, da je laserska varilna linija enakomerna in gladka. Čeprav je na varjenem območju še vedno nekaj naključno porazdeljenih mikropornih napak, je na splošno bistveno boljša od Gaussove laserske varilne linije. Meritve kažejo, da je širina varilne linije približno 18 μm, razmik med varilnimi linijami pa 40 μm. Slika (b) prikazuje stransko mikrografijo varilne linije vzorca.

Vidimo lahko, da vrzel med vzorcema po laserski obdelavi popolnoma izgine, material v bližini vmesnika pa se je po postopku termičnega taljenja in hlajenja združil v eno samo celoto. Meritve kažejo, da globina lasersko induciranega termičnega talilne regije doseže do 227 μm. To kaže, da lahko med laserskim varjenjem s temi parametri aksialna globina goriščne lege doseže do 227 μm, kar je štirikrat več kot pri Gaussovem laserskem varjenju pod enakimi pogoji.

4. Kje kupiti Besselove leče?

Podjetje Wavelength Opto-Electronic ponuja visokokakovostne Besselove leče, ki se uporabljajo v aplikacijah laserske obdelave. Najbolj privlačna lastnost tega optičnega sistema z Besselovim žarkom je možnost nastavitve globine ostrenja izhodnega žarka z nastavitvijo velikosti premera vhodnega žarka.