Mga Pamaagi sa Disenyo sa Bessel Beam

Aron dungan nga matunaw ang mga materyales sa duha ka kilid sa interface ug makatukod og taas nga kusog nga micro-region bond, ang laser focal point kinahanglan nga tukma nga naka-focus sa sample, nga nagpahamtang og estrikto nga mga kinahanglanon sa katukma sa pagproseso sa sistema sa welding. Dugang pa, tungod sa dako nga axial intensity gradient sa Gaussian beam pagkahuman sa pag-focus, ang temperatura sa focal field dili patas, nga naghimo niini nga dali nga maporma ang mga depekto sa micro- ug nano-void sa rehiyon nga apektado sa laser, nga sa baylo makaapekto sa kalidad sa welding sa sample.

Ang spatial light shaping technology magamit aron makamugna og zero-order Bessel beams aron ma-optimize ang intensity distribution sa laser focal field. Kini nga pamaagi makapakunhod sa axial intensity gradient ug makapalugway sa focal length, sa ingon nagdugang sa depth-to-width ratio sa thermal effect region nga naporma sa laser. Tungod niini, kini makapakunhod sa focusing accuracy requirements sa laser welding system, nga makapauswag sa kalidad ug efficiency sa welding.

1. Ang Pagmugna ug Disenyo sa Parameter sa Dili-Nagkalapad nga mga Bessel Beam

Niadtong 1987, unang gisugyot ni Durnin ang zero-order Bessel beam, nga nagpakita sa talagsaon nga mga kabtangan nga dili mag-diffracting: ang transverse light field intensity distribution niini nagpabilin nga wala mausab atol sa propagation, ug ang gidak-on sa central spot kanunay nga duol sa diffraction limit. Dugang pa, ang Bessel beams nagpakita usab og self-healing properties atol sa propagation. Kung ang central spot nababagan, ang palibot nga kahayag magtapok padulong sa sentro aron "ayohon" ang central spot. Ang mathematical expression para sa transverse light field distribution sa usa ka zero-order Bessel beam mao ang:

Sa ekspresyon:

• Ang J0 nagrepresentar sa zero-order Bessel function.
• Ang r ug φ mao ang mga radial ug angular coordinate elements, matag usa.
• ang z mao ang distansya sa pagkaylap.
• Ang Kr ug Kz mao ang mga elemento sa transverse ug longitudinal wavevector, matag usa.

Ang sentral nga pangunang bahin sa usa ka zero-order Bessel beam adunay kusog nga kapasidad sa pagkulong, nga nagtugot sa lebel sa irradiation nga mga TW/cm² o mas taas pa, nga epektibong makapukaw sa nonlinear absorption sa mga materyales. Mas importante, ang non-diffracting propagation characteristic sa zero-order Bessel beams naghatag og mas dako nga giladmon sa focus ug mas gamay nga axial intensity gradient, sa ingon nagmugna og halos parehas nga temperature field ug nagpugong sa pagporma sa mga depekto sa welding.

Ang mosunod nga hulagway nagpakita sa pagtandi sa focal length sa Bessel beams ug Gaussian beams ubos sa parehas nga transverse confinement capability. Ang Bessel beams adunay igong giladmon sa focus samtang gipadayon ang transverse micron-level focal spot diameter.

Adunay ubay-ubay nga mga pamaagi sa pagmugna og zero-order Bessel beams, ug ang mosunod nga tulo ka pangunang pamaagi komon:

Pamaagi sa Annular Aperture: Ang pamaagi sa annular aperture, sama sa gisugyot sa ngalan, naglambigit sa paggamit og annular slit aron makahimo og Bessel beams. Kini usab ang unang malampuson nga pamaagi sa pagmugna og Bessel beams. Ang diagram sa ubos nagpakita sa pamaagi sa annular aperture alang sa pagmugna og Bessel beams. Usa ka plane wave ang mo-incident perpendicularly sa annular slit gikan sa wala ug mahitabo ang diffraction.

Pagkahuman, ang usa ka positibo nga lente mohimo og Fourier transform, nga moresulta sa pagkaporma sa usa ka Bessel beam sa luyo sa lente. Ang non-diffracting propagation distance nga Zmax ​may kalabutan sa diametro d sa annular slit ug sa numerical aperture sa lente.

Bisan tuod kini nga pamaagi makamugna og zero-order Bessel beams, ang energy conversion efficiency ubos kaayo, nga nagpalisod sa paggamit niini sa mga laser processing field.

Pamaagi sa Spatial Light Modulator: Ang proseso sa pagmugna og zero-order Bessel beam usa ka proseso sa pag-usab sa phase distribution sa beam. Busa, ang zero-order Bessel beam mahimo usab nga mamugna gamit ang spatial light modulator. Ang spatial light modulator usa ka klase sa optoelectronic modulation device nga nagkontrol sa intensity ug phase distribution sa light field pinaagi sa mga electrical signal. Ang zero-order Bessel beam mahimong mamugna pinaagi sa pag-apply sa conical lens phase, sama sa gipakita sa hulagway sa ubos, sa working panel sa spatial light modulator.

Pamaagi sa Axicon: Ang axicon usa sa labing kasagarang gigamit nga passive glass-based diffractive elements para sa pagmugna og Bessel beams. Kung ang usa ka Gaussian beam kasagarang moigo ug moagi sa usa ka axicon, ang phase distribution niini gi-modulate, nga nagbag-o niini ngadto sa zero-order Bessel beam nga walay bisan unsang pagkawala sa enerhiya, sama sa gipakita sa hulagway sa ubos.

Tungod sa barato nga presyo, kadali sa paggamit, ug taas nga laser damage threshold sa mga glass axicon, ingon man sa ilang taas kaayo nga energy utilization efficiency, ang mga axicon mao ang pangunang gipili alang sa pagmugna og ultrashort pulse Bessel beams sa natad sa laser processing. Ang hulagway sa ubos nagpakita sa usa ka eskematiko sa beam narrowing ug transmission sa usa ka zero-order Bessel beam. Pinaagi sa pag-adjust sa magnification ug orientation sa 4f imaging system, ang non-diffractive propagation distance, ang half-cone angle, ug ang tilt angle sa propagation direction sa Bessel beam dali ra makontrol.

Kon ang usa ka zero-order Bessel beam nga adunay half-cone angle nga Ɵ1 ug diffraction-free propagation distance sa Zmax moagi sa usa ka 4f system nga gilangkoban sa usa ka lente (L1) ug usa ka objective lens (L2), ang geometric dimensions mas mo-compress pa. Ang lateral magnification gibana-bana nga M=f1/f2=5, ug ang longitudinal magnification gibana-bana nga M2=25. Busa, ang final imaging sa zero-order Bessel beam sulod sa sample mahimong irepresentar sa geometric parameters:

Mga heometrikong parametro sa Bessel beam nga nakuhaan og imahe sulod sa usa ka sample sa quartz glass ubos sa lain-laing mga anggulo sa cone ug mga magnification sa beam compression.

Pag-apod-apod sa intensidad sa focus field sa usa ka Bessel beam

• r ug z: Mga sangkap sa koordinasyon sa radial ug axial, matag usa.
• λ: Sentral nga wavelength sa laser.
• w: 1/e² nga radius sa miabot nga Gaussian beam.
• P0: Kinatas-ang gahom sa ultrashort pulse laser.
• β1: Anggulo nga tunga sa kono sa Bessel beam human sa beam compression.
• k: Bektor sa balud.
• J0: Zero-order nga gimbuhaton sa Bessel.

Distribusyon sa intensidad sa zero-order Bessel beam sulod sa quartz glass: Sa wala mao ang distribusyon sa optical power density subay sa direksyon sa pagpalapad ug sa cross-sectional view, ug sa tuo mao ang distribusyon sa optical power density subay sa axis ug sa cross-sectional view

2. Mga Kinaiya sa Femtosecond Pulse Bessel Beam sa Fused Silica Glass

Ang Figure (a) nagpakita sa mga micrograph sa interaksyon tali sa femtosecond pulse Bessel beams ug fused silica glass sa lain-laing pulse energies. Ang gilapdon sa laser pulse gitakda sa 220 fs, ug ang half-cone angle sa Bessel beam sulod sa sample kay 12.4°. Makita nga ang rehiyon nga naapektuhan sa laser nagpakita og tipikal nga one-dimensional linear structure. Kung ang laser pulse energy ubos sa 9.5 μJ, ang refractive index sa materyal sa focal region motaas, nga makita isip itom nga rehiyon sa micrograph.

Kon ang enerhiya sa pulso sa laser molapas sa 9.5 μJ, ang refractive index sa materyal sa focal region mokunhod, nga makita isip puti nga rehiyon sa micrograph, ug ang gitas-on sa puti nga rehiyon motaas uban sa pagtaas sa enerhiya sa pulso. Pinaagi sa pagpasinaw sa sample, among naobserbahan ang mga kinaiya sa morpolohiya sa puti nga rehiyon sa enerhiya sa pulso nga 15.4 μJ ubos sa scanning electron microscope, sama sa gipakita sa Figure (b). Mahimong mahinulsulan nga ang usa ka nanopore nga adunay diametro nga gibana-bana nga 200 nm naporma sa rehiyon nga adunay pagkunhod sa refractive index.

Pinaagi sa ion beam etching ug in-situ scanning electron microscope observation systems, among gikumpirma pa ang presensya sa nanopore (Figure c). Busa, aron maminusan ang pagmugna sa mga depekto nga gipahinabo sa laser, ang single pulse energy dili molapas sa 9.5 μJ atol sa laser welding.

3. Pagkab-ot sa Taas nga Kalidad nga Micro-Welding Taliwala sa mga Fused Silica Glasses gamit ang Bessel Ultrashort Pulse Laser.

Ang Figure (a) nagpakita sa top-view micrograph sa welding surface sa sample. Makita nga ang laser weld line parehas ug hamis. Bisan pa man og adunay pipila ka random distributed micropore defects sa welded area, sa kinatibuk-an, kini mas maayo kay sa Gaussian laser weld line. Ang mga sukod nagpakita nga ang gilapdon sa weld line gibana-bana nga 18 μm, ug ang gilay-on tali sa mga weld lines kay 40 μm. Ang Figure (b) nagpakita sa side-view micrograph sa weld line sa sample.

Makita nga ang kal-ang tali sa mga sample hingpit nga nawala human sa pagproseso sa laser, ug ang materyal duol sa interface nahiusa ngadto sa usa ka entidad human sa pag-agi sa proseso sa thermal melting-cooling. Ang mga sukod nagpakita nga ang giladmon sa rehiyon sa thermal melting nga gipahinabo sa laser moabot hangtod sa 227 μm. Kini nagpakita nga atol sa laser welding nga adunay kini nga mga parameter, ang axial depth sa focal position mahimong moabot hangtod sa 227 μm, nga upat ka pilo kaysa sa Gaussian laser welding ubos sa parehas nga mga kondisyon.

4. Asa Makapalit og mga Bessel Lenses?

Ang Wavelength Opto-Electronic nagtanyag og taas nga kalidad nga mga lente sa Bessel nga gigamit sa mga aplikasyon sa pagproseso sa laser. Ang pagka-adjust sa giladmon sa focus sa output beam pinaagi sa pag-adjust sa gidak-on sa diametro sa input beam mao ang labing madanihon nga bahin niining Bessel beam optical system.