Metodi di cuncepimentu di trave Bessel

Per fonde simultaneamente i materiali da i dui lati di l'interfaccia è stabilisce un ligame di microregione d'alta resistenza, u puntu focale di u laser deve esse focalizatu precisamente nantu à u campione, ciò chì impone esigenze rigorose nantu à a precisione di trasfurmazione di u sistema di saldatura. Inoltre, per via di u grande gradiente d'intensità assiale di u fasciu gaussianu dopu a focalizazione, a temperatura di u campu focale hè irregulare, rendendulu propensu à a furmazione di difetti di micro è nano-vuoti in a regione affettata da u laser, ciò chì à u so tornu influenza a qualità di saldatura di u campione.

A tecnulugia di furmazione spaziale di a luce pò esse aduprata per generà fasci di Bessel d'ordine zero per ottimizà a distribuzione di l'intensità di u campu focale laser. Questu approcciu riduce u gradiente d'intensità assiale è estende a lunghezza focale, aumentendu cusì u rapportu prufundità-larghezza di a regione d'effettu termicu furmata da u laser. Di cunsiguenza, riduce i requisiti di precisione di focalizazione di u sistema di saldatura laser, migliurendu sia a qualità sia l'efficienza di a saldatura.

1. A generazione è u cuncepimentu di i parametri di i fasci di Bessel senza diffrazione

In u 1987, Durnin hà prupostu per a prima volta u fasciu Bessel di ordine zero, chì mostra proprietà uniche di non diffrazione: a so distribuzione di l'intensità di u campu luminosu trasversale ferma invariata durante a propagazione, è a dimensione di a macchia centrale hè sempre vicina à u limite di diffrazione. Inoltre, i fasci Bessel mostranu ancu una pruprietà di autoguarigione durante a propagazione. Quandu a macchia centrale hè ostruita, a luce circundante cunvergerà versu u centru per "riparà" a macchia centrale. L'espressione matematica per a distribuzione di u campu luminosu trasversale di un fasciu Bessel di ordine zero hè:

In l'espressione:

• J0 rapprisenta a funzione di Bessel di ordine zero.
• r è φ sò rispettivamente l'elementi di coordinate radiali è angulari.
• z hè a distanza di propagazione.
• Kr è Kz sò rispettivamente l'elementi di u vettore d'onda trasversale è longitudinale.

U puntu principale cintrali di un fasciu Bessel d'ordine zero hà una forte capacità di cunfinamentu, chì permette livelli d'irradiazione di l'ordine di TW/cm² o più, chì ponu eccità efficacemente l'assorbimentu non lineare in i materiali. Ancu più impurtante, a caratteristica di propagazione non diffrattiva di i fasci Bessel d'ordine zero furnisce una prufundità di focu più grande è un gradiente d'intensità assiale più chjucu, creendu cusì un campu di temperatura quasi uniforme è supprimendu a furmazione di difetti di saldatura.

A figura seguente mostra una paragone di a lunghezza focale di i fasci di Bessel è di i fasci gaussiani sottu a listessa capacità di cunfinamentu trasversale. I fasci di Bessel pussedenu una prufundità di focu cunsiderevule pur mantenendu un diametru di macchia focale di livellu di micron trasversale.

Ci sò parechji metudi per generà fasci di Bessel d'ordine zero, è i trè metudi principali seguenti sò cumuni:

Metudu di l'Apertura Anulare: U metudu di l'apertura anulare, cum'è u nome suggerisce, implica l'usu di una fessura anulare per pruduce fasci di Bessel. Questu hè statu ancu u primu metudu riesciutu per generà fasci di Bessel. U diagrama sottu illustra u metudu di l'apertura anulare per generà fasci di Bessel. Un'onda piana hè incidente perpendicolarmente nantu à a fessura anulare da manca è si verifica a diffrazione.

Dopu, una lente pusitiva esegue una trasfurmata di Fourier, chì risulta in a furmazione di un fasciu di Bessel daretu à a lente. A distanza di propagazione senza diffrazione Zmax hè ligata à u diametru d di a fessura anulare è à l'apertura numerica di a lente.

Ancu s'è stu metudu pò generà fasci di Bessel d'ordine zero, l'efficienza di cunversione energetica hè estremamente bassa, ciò chì rende difficiule l'applicazione in i campi di trasfurmazione laser.

Metudu di u Modulatore Spaziale di Luce: U prucessu di generazione di un fasciu Bessel di ordine zero hè essenzialmente un prucessu di mudificazione di a distribuzione di fase di u fasciu. Dunque, un fasciu Bessel di ordine zero pò ancu esse generatu aduprendu un modulatore spaziale di luce. Un modulatore spaziale di luce hè un tipu di dispusitivu di modulazione optoelettronica chì cuntrolla l'intensità è a distribuzione di fase di u campu luminosu per mezu di signali elettrichi. Un fasciu Bessel di ordine zero pò esse generatu applicendu a fase di a lente cunica, cum'è mostratu in a figura sottu, à u pannellu di travagliu di u modulatore spaziale di luce.

Metudu Axicon: Un axicon hè unu di l'elementi diffrattivi passivi à basa di vetru i più cumunimenti usati per generà fasci di Bessel. Quandu un fasciu gaussianu hè nurmalmente incidente è passa per un axicon, a so distribuzione di fase hè modulata, trasfurmendulu in un fasciu di Bessel di ordine zero senza alcuna perdita d'energia, cum'è mostratu in a figura sottu.

A causa di u bassu costu, a facilità d'usu è l'alta soglia di danni laser di l'axiconi di vetru, è ancu a so efficienza di utilizzazione di l'energia eccezziunale, l'axiconi sò a scelta primaria per generà fasci di Bessel à impulsi ultracorti in u campu di u trattamentu laser. A figura sottu mostra un schema di u restringimentu è di a trasmissione di u fasciu di Bessel di ordine zero. Aghjustendu l'ingrandimentu è l'orientazione di u sistema di imaging 4f, a distanza di propagazione non diffrativa, l'angulu di mezu conu è l'angulu di inclinazione in a direzzione di propagazione di u fasciu di Bessel ponu esse facilmente cuntrullati.

Quandu un fasciu di Bessel d'ordine zero cù un angulu di mezu conu di Ɵ1 è una distanza di propagazione senza diffrazione di Zmax passa per un sistema 4f cumpostu da una lente (L1) è una lente obiettiva (L2), e dimensioni geometriche saranu ulteriormente compresse. L'ingrandimentu laterale hè apprussimatamente M=f1/f2=5, è l'ingrandimentu longitudinale hè apprussimatamente M2=25. Cusì, l'imaghjini finale di u fasciu di Bessel d'ordine zero in u campione pò esse rapprisentata da i parametri geometrichi:

Parametri geometrichi di u fasciu di Bessel ripresi in un campione di vetru di quarzu sottu diversi anguli di conu è ingrandimenti di compressione di u fasciu.

Distribuzione di l'intensità di u campu focale di un fasciu di Bessel

• r è z: Cumponenti di coordinate radiali è assiali, rispettivamente.
• λ : lunghezza d'onda centrale di u laser.
• w: raghju di 1/e² di u fasciu gaussianu incidente.
• P0: Putenza di piccu di u laser à impulsi ultracorti.
• β1: Angulu di mezu conu di a trave Bessel dopu a cumpressione di a trave.
• k: Vettore d'onda.
• J0: Funzione di Bessel d'ordine zero.

Distribuzione di l'intensità di u fasciu di Bessel di ordine zero in u vetru di quarzu: À manca sò a distribuzione di a densità di putenza ottica longu a direzzione di propagazione è a vista in sezione trasversale, è à diritta sò a distribuzione di a densità di putenza ottica longu l'asse è a vista in sezione trasversale.

2. Caratteristiche di u Fasciu Bessel à Impulsi Femtosecondi in Vetru di Silice Fusa

A figura (a) mostra e micrografie di l'interazione trà i fasci di Bessel à impulsi di femtosecondi è u vetru di silice fusa à diverse energie d'impulsu. A larghezza di l'impulsu laser hè fissata à 220 fs, è l'angulu di mezu conu di u fasciu Bessel in u campione hè di 12,4°. Si pò osservà chì a regione affettata da u laser presenta una struttura lineare unidimensionale tipica. Quandu l'energia di l'impulsu laser hè inferiore à 9,5 μJ, l'indice di rifrazione di u materiale in a regione focale aumenta, apparendu cum'è una regione nera in a micrografia.

Quandu l'energia di l'impulsu laser supera i 9,5 μJ, l'indice di rifrazione di u materiale in a regione focale diminuisce, apparendu cum'è una regione bianca in a micrografia, è a lunghezza di a regione bianca aumenta cù l'aumentu di l'energia di l'impulsu. Lucidendu u campione, avemu osservatu e caratteristiche morfologiche di a regione bianca à una energia di l'impulsu di 15,4 μJ sottu à un microscopiu elettronicu à scansione, cum'è mostratu in a Figura (b). Si pò cunclude chì un nanoporu cù un diametru di circa 200 nm hè furmatu in a regione cù un indice di rifrazione riduttu.

Attraversu l'incisione à fasciu ionicu è i sistemi d'osservazione à microscopiu elettronicu à scansione in situ, avemu cunfirmatu ancu di più a presenza di u nanoporu (Figura c). Dunque, per minimizà a generazione di difetti indotti da laser, l'energia di un unicu impulsu ùn deve micca superà i 9,5 μJ durante a saldatura laser.

3. Ottenimentu di microsaldatura di alta qualità trà vetri di silice fusa cù u laser à impulsi ultracorti Bessel.

A figura (a) mostra una micrografia vista dall'alto di a superficia di saldatura di u campione. Si pò vede chì a linea di saldatura laser hè uniforme è liscia. Ancu s'ellu ci sò sempre uni pochi di difetti di micropori distribuiti à casu in a zona saldata, in generale, hè significativamente megliu cà a linea di saldatura laser gaussiana. E misurazioni mostranu chì a larghezza di a linea di saldatura hè di circa 18 μm, è a spaziatura trà e linee di saldatura hè di 40 μm. A figura (b) mostra una micrografia vista laterale di a linea di saldatura di u campione.

Si pò vede chì u spaziu trà i campioni sparisce cumpletamente dopu à u trattamentu laser, è u materiale vicinu à l'interfaccia s'hè fusu in una sola entità dopu avè subitu u prucessu di fusione-raffreddamentu termicu. E misurazioni rivelanu chì a prufundità di a regione di fusione termica indotta da u laser righjunghji finu à 227 μm. Questu indica chì durante a saldatura laser cù questi parametri, a prufundità assiale di a pusizione focale pò ghjunghje finu à 227 μm, chì hè quattru volte quella di a saldatura laser gaussiana in e stesse cundizioni.

4. Induve cumprà lenti Bessel?

Wavelength Opto-Electronic offre lenti Bessel di alta qualità chì sò aduprate in applicazioni di trasfurmazione laser. A regulazione di a prufundità di focu di u fasciu di uscita aghjustendu a dimensione di u diametru di u fasciu d'entrata hè a caratteristica più attrattiva di stu sistema otticu di fasciu Bessel.