Mètodes de disseny de bigues de Bessel

Per fondre simultàniament els materials a banda i banda de la interfície i establir una unió de microregió d'alta resistència, el punt focal del làser ha d'estar enfocat amb precisió a la mostra, cosa que imposa unes demandes estrictes a la precisió del processament del sistema de soldadura. A més, a causa del gran gradient d'intensitat axial del feix gaussià després de l'enfocament, la temperatura del camp focal és desigual, cosa que fa que sigui propens a la formació de defectes de micro i nanobuits a la regió afectada pel làser, cosa que al seu torn afecta la qualitat de la soldadura de la mostra.

La tecnologia de conformació espacial de la llum es pot utilitzar per generar feixos de Bessel d'ordre zero per optimitzar la distribució d'intensitat del camp focal del làser. Aquest enfocament redueix el gradient d'intensitat axial i estén la distància focal, augmentant així la relació profunditat-amplada de la regió d'efecte tèrmic formada pel làser. Com a resultat, redueix els requisits de precisió d'enfocament del sistema de soldadura làser, millorant tant la qualitat com l'eficiència de la soldadura.

1. Generació i disseny de paràmetres de feixos de Bessel no difractants

El 1987, Durnin va proposar per primera vegada el feix de Bessel d'ordre zero, que mostra propietats úniques de no difracció: la seva distribució d'intensitat del camp de llum transversal roman inalterada durant la propagació, i la mida del punt central sempre és propera al límit de difracció. A més, els feixos de Bessel també presenten una propietat d'autocuració durant la propagació. Quan el punt central està obstruït, la llum circumdant convergirà cap al centre per "reparar" el punt central. L'expressió matemàtica per a la distribució del camp de llum transversal d'un feix de Bessel d'ordre zero és:

En l'expressió:

• J0 representa la funció de Bessel d'ordre zero.
• r i φ són els elements de coordenades radials i angulars, respectivament.
• z és la distància de propagació.
• Kr i Kz són els elements del vector d'ona transversal i longitudinal, respectivament.

El punt principal central d'un feix de Bessel d'ordre zero té una forta capacitat de confinament, permetent nivells d'irradiació de l'ordre de TW/cm² o superiors, que poden excitar eficaçment l'absorció no lineal en materials. Més important encara, la característica de propagació no difractiva dels feixos de Bessel d'ordre zero proporciona una major profunditat de focus i un gradient d'intensitat axial més petit, creant així un camp de temperatura gairebé uniforme i suprimint la formació de defectes de soldadura.

La figura següent mostra una comparació de la distància focal dels feixos de Bessel i els feixos gaussians sota la mateixa capacitat de confinament transversal. Els feixos de Bessel posseeixen una profunditat de focus considerable tot mantenint un diàmetre de punt focal transversal a nivell de micres.

Hi ha diversos mètodes per generar feixos de Bessel d'ordre zero, i els tres mètodes principals següents són comuns:

Mètode d'obertura anular: El mètode d'obertura anular, com el seu nom indica, consisteix a utilitzar una escletxa anular per produir feixos de Bessel. Aquest també va ser el primer mètode reeixit per generar feixos de Bessel. El diagrama següent il·lustra el mètode d'obertura anular per generar feixos de Bessel. Una ona plana incideix perpendicularment sobre l'escletxa anular des de l'esquerra i es produeix difracció.

Després, una lent positiva realitza una transformada de Fourier, que resulta en la formació d'un feix de Bessel darrere de la lent. La distància de propagació no difractant Zmax està relacionada amb el diàmetre d de l'escletxa anular i l'obertura numèrica de la lent.

Tot i que aquest mètode pot generar feixos de Bessel d'ordre zero, l'eficiència de conversió d'energia és extremadament baixa, cosa que dificulta la seva aplicació en camps de processament làser.

Mètode del modulador espacial de llum: El procés de generació d'un feix de Bessel d'ordre zero és essencialment un procés d'alteració de la distribució de fase del feix. Per tant, també es pot generar un feix de Bessel d'ordre zero mitjançant un modulador espacial de llum. Un modulador espacial de llum és un tipus de dispositiu de modulació optoelectrònica que controla la intensitat i la distribució de fase del camp lluminós mitjançant senyals elèctrics. Es pot generar un feix de Bessel d'ordre zero aplicant la fase de la lent cònica, com es mostra a la figura següent, al panell de treball del modulador espacial de llum.

Mètode de l'àxicon: Un àxicon és un dels elements difractius passius basats en vidre més utilitzats per generar feixos de Bessel. Quan un feix gaussià incideix normalment sobre un àxicon i el travessa, la seva distribució de fase es modula, transformant-lo en un feix de Bessel d'ordre zero sense cap pèrdua d'energia, tal com es mostra a la figura següent.

A causa del baix cost, la facilitat d'ús i l'alt llindar de dany làser dels axicons de vidre, així com la seva excepcionalment alta eficiència d'utilització d'energia, els axicons són l'opció principal per generar feixos de Bessel de polsos ultracurts en el camp del processament làser. La figura següent mostra un esquema de l'estrenyiment i la transmissió del feix d'un feix de Bessel d'ordre zero. Ajustant l'augment i l'orientació del sistema d'imatges 4f, es pot controlar fàcilment la distància de propagació no difractiva, l'angle del mig con i l'angle d'inclinació en la direcció de propagació del feix de Bessel.

Quan un feix de Bessel d'ordre zero amb un angle de mig con de Ɵ1 i una distància de propagació lliure de difracció de Zmax passa a través d'un sistema 4f compost per una lent (L1) i una lent objectiu (L2), les dimensions geomètriques es comprimiran encara més. L'augment lateral és aproximadament M=f1/f2=5, i l'augment longitudinal és aproximadament M2=25. Així, la imatge final del feix de Bessel d'ordre zero dins de la mostra es pot representar mitjançant els paràmetres geomètrics:

Paràmetres geomètrics del feix de Bessel obtinguts dins d'una mostra de vidre de quars sota diferents angles de con i augments de compressió del feix.

Distribució de la intensitat del camp focal d'un feix de Bessel

• r i z: components de coordenades radials i axials, respectivament.
• λ: Longitud d'ona central del làser.
• w: 1/e² radi del feix gaussià incident.
• P0: Potència màxima del làser de pols ultracurt.
• β1: Angle de mig con de la biga de Bessel després de la compressió de la biga.
• k: Vector d'ona.
• J0: Funció de Bessel d'ordre zero.

Distribució d'intensitat del feix de Bessel d'ordre zero dins del vidre de quars: a l'esquerra hi ha la distribució de la densitat de potència òptica al llarg de la direcció de propagació i la vista en secció transversal, i a la dreta hi ha la distribució de la densitat de potència òptica al llarg de l'eix i la vista en secció transversal.

2. Característiques del feix de Bessel de pols de femtosegons en vidre de sílice fosa

La figura (a) mostra les micrografies de la interacció entre feixos de Bessel de polsos de femtosegons i vidre de sílice fosa a diferents energies de pols. L'amplada del pols làser es fixa a 220 fs, i l'angle de mig con del feix de Bessel dins de la mostra és de 12,4°. Es pot observar que la regió afectada pel làser presenta una estructura lineal unidimensional típica. Quan l'energia del pols làser és inferior a 9,5 μJ, l'índex de refracció del material a la regió focal augmenta, apareixent com una regió negra a la micrografia.

Quan l'energia del pols làser supera els 9,5 μJ, l'índex de refracció del material a la regió focal disminueix, apareixent com una regió blanca a la micrografia, i la longitud de la regió blanca augmenta a mesura que augmenta l'energia del pols. Polint la mostra, vam observar les característiques morfològiques de la regió blanca a una energia de pols de 15,4 μJ sota un microscopi electrònic de rastreig, tal com es mostra a la figura (b). Es pot concloure que es forma un nanoporus amb un diàmetre d'aproximadament 200 nm a la regió amb un índex de refracció reduït.

Mitjançant sistemes d'observació de microscopi electrònic d'escombratge iònic i microscopi electrònic d'escombratge in situ, vam confirmar encara més la presència del nanopor (Figura c). Per tant, per tal de minimitzar la generació de defectes induïts per làser, l'energia d'un sol pols no hauria de superar els 9,5 μJ durant la soldadura amb làser.

3. Aconseguir microsoldadura d'alta qualitat entre vidres de sílice fosa mitjançant làser de pols ultracurt de Bessel.

La figura (a) mostra una micrografia de vista superior de la superfície de soldadura de la mostra. Es pot observar que la línia de soldadura làser és uniforme i llisa. Tot i que encara hi ha alguns defectes de microporus distribuïts aleatòriament a la zona soldada, en general, és significativament millor que la línia de soldadura làser gaussiana. Les mesures mostren que l'amplada de la línia de soldadura és d'aproximadament 18 μm i l'espai entre les línies de soldadura és de 40 μm. La figura (b) mostra una micrografia de vista lateral de la línia de soldadura de la mostra.

Es pot veure que l'espai entre les mostres desapareix completament després del processament amb làser, i el material proper a la interfície s'ha fusionat en una sola entitat després de sotmetre's al procés de fusió tèrmica-refredament. Les mesures revelen que la profunditat de la regió de fusió tèrmica induïda per làser arriba fins a 227 μm. Això indica que durant la soldadura làser amb aquests paràmetres, la profunditat axial de la posició focal pot arribar fins a 227 μm, que és quatre vegades superior a la de la soldadura làser gaussiana en les mateixes condicions.

4. On puc comprar lents Bessel?

Wavelength Opto-Electronic ofereix lents Bessel d'alta qualitat que s'utilitzen en aplicacions de processament làser. L'ajust de la profunditat de focus del feix de sortida mitjançant l'ajust de la mida del diàmetre del feix d'entrada és la característica més atractiva d'aquest sistema òptic de feix Bessel.