Metody projektowania belek Bessela

Aby jednocześnie stopić materiały po obu stronach interfejsu i utworzyć wytrzymałe połączenie mikroobszarowe, ognisko lasera musi być precyzyjnie zogniskowane na próbce, co stawia wysokie wymagania dotyczące dokładności obróbki systemu spawalniczego. Ponadto, ze względu na duży gradient intensywności osiowej wiązki Gaussa po zogniskowaniu, temperatura pola ogniskowego jest nierównomierna, co sprzyja powstawaniu mikro- i nano-pustek w obszarze oddziaływania lasera, co z kolei wpływa na jakość spawania próbki.

Technologia przestrzennego kształtowania światła może być wykorzystana do generowania wiązek Bessela zerowego rzędu, co optymalizuje rozkład natężenia pola ogniskowego lasera. Takie podejście zmniejsza osiowy gradient natężenia i wydłuża ogniskową, zwiększając tym samym stosunek głębokości do szerokości obszaru efektu termicznego tworzonego przez laser. W rezultacie zmniejsza to wymagania dotyczące dokładności ogniskowania w systemie spawania laserowego, poprawiając zarówno jakość, jak i wydajność spawania.

1. Generowanie i projektowanie parametrów niedyfrakcyjnych wiązek Bessela

W 1987 roku Durnin po raz pierwszy zaproponował wiązkę Bessela zerowego rzędu, która wykazuje unikalne właściwości niedyfrakcyjne: jej poprzeczny rozkład natężenia pola świetlnego pozostaje niezmieniony podczas propagacji, a rozmiar plamki centralnej jest zawsze bliski granicy dyfrakcji. Ponadto wiązki Bessela wykazują również zdolność samonaprawiania się podczas propagacji. Gdy plamka centralna zostanie zasłonięta, otaczające światło będzie się skupiać w jej kierunku, aby ją „naprawić”. Wzór matematyczny na poprzeczny rozkład pola świetlnego wiązki Bessela zerowego rzędu jest następujący:

W wyrażeniu:

• J0 reprezentuje funkcję Bessela zerowego rzędu.
• r i φ to odpowiednio elementy współrzędnych promieniowych i kątowych.
• z jest odległością propagacji.
• Kr i Kz to odpowiednio elementy wektora falowego poprzecznego i podłużnego.

Centralny punkt główny wiązki Bessela zerowego rzędu charakteryzuje się silną zdolnością do ograniczania pola promieniowania, co pozwala na napromieniowanie rzędu TW/cm² lub wyższe, co może skutecznie wzbudzać absorpcję nieliniową w materiałach. Co ważniejsze, nieugięta charakterystyka propagacji wiązek Bessela zerowego rzędu zapewnia większą głębię ostrości i mniejszy gradient natężenia osiowego, tworząc w ten sposób niemal jednorodne pole temperatur i zapobiegając powstawaniu defektów spawalniczych.

Poniższy rysunek przedstawia porównanie ogniskowej wiązek Bessela i wiązek Gaussa przy tej samej zdolności do ograniczenia poprzecznego. Wiązki Bessela charakteryzują się znaczną głębią ostrości, zachowując jednocześnie poprzeczną średnicę ogniska na poziomie mikronów.

Istnieje kilka metod generowania wiązek Bessela zerowego rzędu, a trzy główne metody są następujące:

Metoda apertury pierścieniowej: Metoda apertury pierścieniowej, jak sama nazwa wskazuje, polega na użyciu szczeliny pierścieniowej do wytworzenia wiązek Bessela. Była to również pierwsza skuteczna metoda generowania wiązek Bessela. Poniższy schemat ilustruje metodę apertury pierścieniowej do generowania wiązek Bessela. Fala płaska pada prostopadle na szczelinę pierścieniową z lewej strony, a następnie następuje dyfrakcja.

Następnie soczewka dodatnia wykonuje transformację Fouriera, co powoduje powstanie wiązki Bessela za soczewką. Nieulegająca dyfrakcji odległość propagacji Zmax jest powiązana ze średnicą d szczeliny pierścieniowej i aperturą numeryczną soczewki.

Chociaż metoda ta pozwala na generowanie wiązek Bessela zerowego rzędu, wydajność konwersji energii jest wyjątkowo niska, co utrudnia jej zastosowanie w obróbce laserowej.

Metoda przestrzennego modulatora światła: Proces generowania wiązki Bessela zerowego rzędu polega zasadniczo na zmianie rozkładu fazowego wiązki. Dlatego wiązkę Bessela zerowego rzędu można również wygenerować za pomocą przestrzennego modulatora światła. Przestrzenny modulator światła to rodzaj optoelektronicznego urządzenia modulującego, które steruje natężeniem pola świetlnego i rozkładem fazowym za pomocą sygnałów elektrycznych. Wiązkę Bessela zerowego rzędu można wygenerować, przykładając fazę soczewki stożkowej, jak pokazano na poniższym rysunku, do panelu roboczego przestrzennego modulatora światła.

Metoda aksikonu: Aksikon to jeden z najczęściej stosowanych pasywnych elementów dyfrakcyjnych na bazie szkła do generowania wiązek Bessela. Gdy wiązka Gaussa pada prostopadle na aksikon i przechodzi przez niego, jej rozkład fazowy ulega modulacji, przekształcając ją w wiązkę Bessela zerowego rzędu bez strat energii, jak pokazano na poniższym rysunku.

Ze względu na niski koszt, łatwość użycia i wysoki próg uszkodzenia laserowego szklanych aksikonów, a także ich wyjątkowo wysoką efektywność wykorzystania energii, aksikony są podstawowym wyborem do generowania ultrakrótkich impulsów wiązek Bessela w dziedzinie obróbki laserowej. Poniższy rysunek przedstawia schemat zwężania wiązki i transmisji wiązki Bessela zerowego rzędu. Poprzez regulację powiększenia i orientacji układu obrazowania 4f, można łatwo kontrolować niedyfrakcyjną odległość propagacji, kąt półstożka oraz kąt nachylenia w kierunku propagacji wiązki Bessela.

Gdy wiązka Bessela zerowego rzędu o kącie półkola Ɵ1 i bezdyfrakcyjnej odległości propagacji Zmax przechodzi przez układ 4f złożony z soczewki (L1) i obiektywu (L2), wymiary geometryczne ulegają dalszej kompresji. Powiększenie poprzeczne wynosi około M=f1/f2=5, a powiększenie podłużne około M2=25. Zatem końcowy obraz wiązki Bessela zerowego rzędu wewnątrz próbki można przedstawić za pomocą parametrów geometrycznych:

Parametry geometryczne wiązki Bessela zobrazowanej wewnątrz próbki szkła kwarcowego przy różnych kątach stożka i powiększeniach uzyskanych poprzez kompresję wiązki.

Rozkład natężenia pola ogniskowego wiązki Bessela

• r i z: odpowiednio składowe współrzędnych promieniowych i osiowych.
• λ: Centralna długość fali lasera.
• w: promień 1/e² padającej wiązki Gaussa.
• P0: Moc szczytowa lasera o ultrakrótkim impulsie.
• β1: Kąt półstożkowy belki Bessela po ściśnięciu belki.
• k: Wektor falowy.
• J0: Funkcja Bessela zerowego rzędu.

Rozkład natężenia wiązki Bessela zerowego rzędu wewnątrz szkła kwarcowego: po lewej stronie przedstawiono rozkład gęstości mocy optycznej wzdłuż kierunku propagacji oraz widok przekroju, a po prawej stronie przedstawiono rozkład gęstości mocy optycznej wzdłuż osi oraz widok przekroju.

2. Charakterystyka wiązki Bessela impulsowej femtosekundowej w szkle krzemionkowym topionym

Rysunek (a) przedstawia mikrofotografie interakcji między femtosekundowymi wiązkami Bessela a stopionym szkłem krzemionkowym przy różnych energiach impulsów. Szerokość impulsu laserowego jest ustalona na 220 fs, a kąt półstożkowy wiązki Bessela wewnątrz próbki wynosi 12,4°. Można zaobserwować, że obszar poddany działaniu lasera wykazuje typową jednowymiarową strukturę liniową. Gdy energia impulsu laserowego jest mniejsza niż 9,5 μJ, współczynnik załamania światła materiału w obszarze ogniskowym wzrasta, co widać na mikrofotografii jako czarny obszar.

Gdy energia impulsu laserowego przekroczy 9,5 μJ, współczynnik załamania światła materiału w obszarze ogniskowym maleje, co widać na mikrofotografii jako biały obszar, a długość tego białego obszaru zwiększa się wraz ze wzrostem energii impulsu. Polerując próbkę, zaobserwowaliśmy charakterystykę morfologiczną białego obszaru przy energii impulsu 15,4 μJ pod skaningowym mikroskopem elektronowym, jak pokazano na rysunku (b). Można wnioskować, że w obszarze o obniżonym współczynniku załamania światła tworzy się nanopor o średnicy około 200 nm.

Poprzez trawienie wiązką jonów i obserwację in-situ za pomocą mikroskopu elektronowego skaningowego, potwierdziliśmy obecność nanoporów (rysunek c). Dlatego, aby zminimalizować powstawanie defektów indukowanych laserowo, energia pojedynczego impulsu nie powinna przekraczać 9,5 μJ podczas spawania laserowego.

3. Uzyskanie wysokiej jakości mikrospawów pomiędzy stopionymi szkłami krzemionkowymi przy użyciu lasera Bessela o ultrakrótkich impulsach.

Rysunek (a) przedstawia mikrofotografię z góry powierzchni spoiny próbki. Widać na niej, że linia spoiny laserowej jest jednolita i gładka. Chociaż w obszarze spoiny nadal występuje kilka losowo rozmieszczonych mikroporów, ogólnie rzecz biorąc, jest ona znacznie lepsza niż linia spoiny laserowej Gaussa. Pomiary pokazują, że szerokość linii spoiny wynosi około 18 μm, a odstęp między liniami spoiny wynosi 40 μm. Rysunek (b) przedstawia mikrofotografię z boku linii spoiny próbki.

Można zauważyć, że szczelina między próbkami całkowicie zanika po obróbce laserowej, a materiał w pobliżu granicy faz stopił się w jedną całość po procesie topienia i chłodzenia. Pomiary pokazują, że głębokość obszaru topienia indukowanego laserowo sięga 227 μm. Oznacza to, że podczas spawania laserowego z tymi parametrami, głębokość osiowa ogniska może sięgać nawet 227 μm, czyli cztery razy więcej niż w przypadku spawania laserowego metodą Gaussa w tych samych warunkach.

4. Gdzie kupić soczewki Bessela?

Firma Wavelength Opto-Electronic oferuje wysokiej jakości soczewki Bessela wykorzystywane w aplikacjach obróbki laserowej. Możliwość regulacji głębi ostrości wiązki wyjściowej poprzez regulację średnicy wiązki wejściowej to najbardziej atrakcyjna cecha tego układu optycznego wiązki Bessela.