Методи за проектиране на беселови греди

За едновременно разтопяване на материалите от двете страни на интерфейса и установяване на високоякостна микрорегионална връзка, лазерната фокусна точка трябва да бъде прецизно фокусирана върху пробата, което налага строги изисквания към точността на обработка на заваръчната система. Освен това, поради големия аксиален градиент на интензитета на Гаусовия лъч след фокусиране, температурата на фокусното поле е неравномерна, което го прави склонно към образуване на микро- и нано-кухини в засегнатата от лазера област, което от своя страна влияе върху качеството на заваряване на пробата.

Технологията за пространствено оформяне на светлината може да се използва за генериране на беселови лъчи от нулев порядък, за да се оптимизира разпределението на интензитета на лазерното фокално поле. Този подход намалява аксиалния градиент на интензитета и удължава фокусното разстояние, като по този начин увеличава съотношението дълбочина-ширина на областта на термичен ефект, образувана от лазера. В резултат на това се намаляват изискванията за точност на фокусиране на лазерната заваръчна система, подобрявайки както качеството, така и ефективността на заваряването.

1. Генериране и параметрично проектиране на недифракционни беселови лъчи

През 1987 г. Дърнин за първи път предлага Беселовия лъч от нулев порядък, който показва уникални недифракционни свойства: разпределението на интензитета на напречното светлинно поле остава непроменено по време на разпространение, а размерът на централното петно ​​е винаги близо до дифракционната граница. Освен това, Беселовите лъчи проявяват и свойство за самовъзстановяване по време на разпространение. Когато централното петно ​​е блокирано, околната светлина ще се сближи към центъра, за да го „поправи“. Математическият израз за напречното разпределение на светлинното поле на Беселов лъч от нулев порядък е:

В израза:

• J0 представлява функцията на Бесел от нулев ред.
• r и φ са съответно радиалните и ъгловите координатни елементи.
• z е разстоянието на разпространение.
• Kr и Kz са съответно напречните и надлъжните елементи на вълновия вектор.

Централното основно петно ​​на беселов лъч от нулев порядък има силна способност за ограничаване, позволявайки нива на облъчване от порядъка на TW/cm² или по-високи, което може ефективно да възбуди нелинейно поглъщане в материалите. По-важното е, че характеристиката на недифракционно разпространение на беселови лъчи от нулев порядък осигурява по-голяма дълбочина на фокуса и по-малък аксиален градиент на интензитета, като по този начин създава почти равномерно температурно поле и потиска образуването на заваръчни дефекти.

Следната фигура показва сравнение на фокусното разстояние на беселови лъчи и гаусови лъчи при една и съща възможност за напречно ограничаване. Беселовите лъчи притежават значителна дълбочина на фокус, като същевременно поддържат напречен диаметър на фокусното петно ​​на ниво микрон.

Съществуват няколко метода за генериране на беселови лъчи от нулев порядък, като следните три основни метода са често срещани:

Метод с пръстеновидна апертура: Методът с пръстеновидна апертура, както подсказва името, включва използването на пръстеновидна цепка за генериране на беселови лъчи. Това е и първият успешен метод за генериране на беселови лъчи. Диаграмата по-долу илюстрира метода с пръстеновидна апертура за генериране на беселови лъчи. Плоска вълна пада перпендикулярно на пръстеновидната цепка отляво и възниква дифракция.

След това, положителна леща извършва Фурие преобразуване, което води до образуването на Беселов лъч зад лещата. Недифракционното разстояние на разпространение Zmax е свързано с диаметъра d на пръстеновидния процеп и числената апертура на лещата.

Въпреки че този метод може да генерира беселови лъчи от нулев порядък, ефективността на преобразуване на енергията е изключително ниска, което затруднява прилагането му в областите на лазерната обработка.

Метод на пространствен светлинен модулатор: Процесът на генериране на беселов лъч от нулев порядък е по същество процес на промяна на фазовото разпределение на лъча. Следователно, беселов лъч от нулев порядък може да се генерира и с помощта на пространствен светлинен модулатор. Пространственият светлинен модулатор е вид оптоелектронно модулационно устройство, което контролира интензитета и фазовото разпределение на светлинното поле чрез електрически сигнали. Беселов лъч от нулев порядък може да се генерира чрез прилагане на коничната фаза на лещата, както е показано на фигурата по-долу, към работния панел на пространствения светлинен модулатор.

Метод на аксикона: Аксиконът е един от най-често използваните пасивни дифракционни елементи на основата на стъкло за генериране на беселови лъчи. Когато гаусов лъч нормално пада върху аксикона и преминава през него, неговото фазово разпределение се модулира, трансформирайки го в беселов лъч от нулев порядък без загуба на енергия, както е показано на фигурата по-долу.

Поради ниската цена, лекотата на използване и високия праг на лазерно увреждане на стъклените аксикони, както и изключително високата им ефективност на използване на енергия, аксиконите са основният избор за генериране на ултракъси импулсни беселови лъчи в областта на лазерната обработка. Фигурата по-долу показва схема на стесняване на лъча и предаване на беселов лъч от нулев порядък. Чрез регулиране на увеличението и ориентацията на 4f системата за изображения, недифракционното разстояние на разпространение, ъгълът на полуконуса и ъгълът на наклона в посоката на разпространение на беселовия лъч могат лесно да се контролират.

Когато беселов лъч от нулев порядък с ъгъл на полуконус Ɵ1 и разстояние на разпространение без дифракция Zmax преминава през 4f система, съставена от леща (L1) и обектив (L2), геометричните размери ще бъдат допълнително компресирани. Страничното увеличение е приблизително M=f1/f2=5, а надлъжното увеличение е приблизително M2=25. По този начин, крайното изображение на беселовия лъч от нулев порядък вътре в пробата може да бъде представено чрез геометричните параметри:

Геометрични параметри на беселовия лъч, изобразен вътре в проба от кварцово стъкло при различни ъгли на конуса и увеличения на компресията на лъча.

Разпределение на интензитета на фокусното поле на Беселов лъч

• r и z: Съответно радиални и аксиални координатни компоненти.
• λ: Централна дължина на вълната на лазера.
• w: радиус 1/e² на падащия Гаусов лъч.
• P0: Пикова мощност на ултракъсо импулсния лазер.
• β1: Ъгъл на полуконуса на беселова греда след компресия на гредата.
• k: Вълнов вектор.
• J0: Функция на Бесел от нулев ред.

Разпределение на интензитета на беселовия лъч от нулев порядък вътре в кварцово стъкло: Отляво са разпределението на плътността на оптичната мощност по посока на разпространение и изгледът в напречно сечение, а отдясно са разпределението на плътността на оптичната мощност по оста и изгледът в напречно сечение.

2. Характеристики на фемтосекундния импулсен беселов лъч в разтопено силициево стъкло

Фигура (а) показва микрографии на взаимодействието между фемтосекундни импулсни беселови лъчи и разтопено кварцово стъкло при различни енергии на импулса. Ширината на лазерния импулс е фиксирана на 220 fs, а ъгълът на полуконуса на беселовия лъч вътре в пробата е 12,4°. Може да се наблюдава, че засегнатата от лазера област показва типична едномерна линейна структура. Когато енергията на лазерния импулс е по-малка от 9,5 μJ, коефициентът на пречупване на материала във фокалната област се увеличава, появявайки се като черна област на микрографията.

Когато енергията на лазерния импулс надвиши 9,5 μJ, коефициентът на пречупване на материала във фокалната област намалява, появявайки се като бяла област на микрографията, а дължината на бялата област се увеличава с увеличаване на енергията на импулса. Чрез полиране на пробата наблюдавахме морфологичните характеристики на бялата област при енергия на импулса от 15,4 μJ под сканиращ електронен микроскоп, както е показано на Фигура (b). Може да се заключи, че в областта с намален коефициент на пречупване се образува нанопора с диаметър приблизително 200 nm.

Чрез йонно-лъчево ецване и in-situ системи за наблюдение с електронен микроскоп, ние допълнително потвърдихме наличието на нанопорите (Фигура c). Следователно, за да се сведе до минимум генерирането на лазерно-индуцирани дефекти, енергията на единичния импулс не трябва да надвишава 9,5 μJ по време на лазерно заваряване.

3. Постигане на висококачествено микрозаваряване между стъкла от разтопен силициев диоксид с помощта на ултракъс импулсен лазер на Бесел.

Фигура (а) показва микрофотография отгоре на заваръчната повърхност на пробата. Вижда се, че лазерната заваръчна линия е равномерна и гладка. Въпреки че все още има няколко произволно разпределени микропорни дефекта в заваръчната зона, като цяло тя е значително по-добра от Гаусовата лазерна заваръчна линия. Измерванията показват, че ширината на заваръчната линия е приблизително 18 μm, а разстоянието между заваръчните линии е 40 μm. Фигура (б) показва странична микрофотография на заваръчната линия на пробата.

Вижда се, че празнината между пробите напълно изчезва след лазерна обработка, а материалът близо до границата на раздела се е слял в едно цяло след преминаване през процеса на термично топене-охлаждане. Измерванията показват, че дълбочината на лазерно индуцираната област на термично топене достига до 227 μm. Това показва, че по време на лазерно заваряване с тези параметри, аксиалната дълбочина на фокусното положение може да достигне до 227 μm, което е четири пъти повече от това на Гаусово лазерно заваряване при същите условия.

4. Къде да купя лещи на Бесел?

Wavelength Opto-Electronic предлага висококачествени беселови лещи, които се използват в приложения за лазерна обработка. Настройката на дълбочината на фокус на изходния лъч чрез регулиране на размера на диаметъра на входния лъч е най-атрактивната характеристика на тази оптична система с беселови лъчи.