Métodos de deseño de vigas de Bessel

Para fundir simultaneamente os materiais en ambos os dous lados da interface e establecer unha unión microrrexional de alta resistencia, o punto focal do láser debe estar enfocado con precisión na mostra, o que impón esixencias rigorosas sobre a precisión do procesamento do sistema de soldadura. Ademais, debido ao gran gradiente de intensidade axial do feixe gaussiano despois do enfoque, a temperatura do campo focal é desigual, o que o fai propenso á formación de defectos de micro e nano baleiros na rexión afectada polo láser, o que á súa vez afecta á calidade da soldadura da mostra.

A tecnoloxía de conformación espacial da luz pódese empregar para xerar feixes de Bessel de orde cero para optimizar a distribución de intensidade do campo focal do láser. Esta estratexia reduce o gradiente de intensidade axial e amplía a distancia focal, aumentando así a relación profundidade-ancho da rexión de efecto térmico formada polo láser. Como resultado, reduce os requisitos de precisión de enfoque do sistema de soldadura láser, mellorando tanto a calidade como a eficiencia da soldadura.

1. Xeración e deseño de parámetros de feixes de Bessel non difractantes

En 1987, Durnin propuxo por primeira vez o feixe de Bessel de orde cero, que mostra propiedades únicas de non difracción: a súa distribución da intensidade do campo de luz transversal permanece inalterada durante a propagación e o tamaño da mancha central sempre está preto do límite de difracción. Ademais, os feixes de Bessel tamén presentan unha propiedade de autorreparación durante a propagación. Cando a mancha central está obstruída, a luz circundante converxerá cara ao centro para "reparar" a mancha central. A expresión matemática para a distribución do campo de luz transversal dun feixe de Bessel de orde cero é:

Na expresión:

• J0 representa a función de Bessel de orde cero.
• r e φ son os elementos de coordenadas radiais e angulares, respectivamente.
• z é a distancia de propagación.
• Kr e Kz son os elementos do vector de onda transversais e lonxitudinais, respectivamente.

O punto principal central dun feixe de Bessel de orde cero ten unha forte capacidade de confinamento, o que permite niveis de irradiación da orde de TW/cm² ou superiores, o que pode excitar eficazmente a absorción non lineal nos materiais. Máis importante aínda, a característica de propagación non difractante dos feixes de Bessel de orde cero proporciona unha maior profundidade de foco e un gradiente de intensidade axial menor, creando así un campo de temperatura case uniforme e suprimindo a formación de defectos de soldadura.

A seguinte figura mostra unha comparación da distancia focal dos feixes de Bessel e os feixes gaussianos coa mesma capacidade de confinamento transversal. Os feixes de Bessel posúen unha profundidade de foco considerable, mantendo ao mesmo tempo un diámetro de punto focal transversal do nivel de micras.

Existen varios métodos para xerar vigas de Bessel de orde cero, e os seguintes tres métodos principais son comúns:

Método de apertura anular: O método de apertura anular, como o seu nome indica, implica o uso dunha fenda anular para producir feixes de Bessel. Este foi tamén o primeiro método exitoso para xerar feixes de Bessel. O diagrama seguinte ilustra o método de apertura anular para xerar feixes de Bessel. Unha onda plana incide perpendicularmente na fenda anular desde a esquerda e prodúcese difracción.

Despois, unha lente positiva realiza unha transformada de Fourier, o que resulta na formación dun feixe de Bessel detrás da lente. A distancia de propagación non difractante Zmax está relacionada co diámetro d da fenda anular e a apertura numérica da lente.

Aínda que este método pode xerar feixes de Bessel de orde cero, a eficiencia de conversión de enerxía é extremadamente baixa, o que dificulta a súa aplicación en campos de procesamento láser.

Método do modulador espacial de luz: o proceso de xeración dun feixe de Bessel de orde cero é esencialmente un proceso de alteración da distribución de fase do feixe. Polo tanto, tamén se pode xerar un feixe de Bessel de orde cero usando un modulador espacial de luz. Un modulador espacial de luz é un tipo de dispositivo de modulación optoelectrónico que controla a intensidade e a distribución de fase do campo luminoso mediante sinais eléctricos. Pódese xerar un feixe de Bessel de orde cero aplicando a fase da lente cónica, como se mostra na figura seguinte, ao panel de traballo do modulador espacial de luz.

Método do axicon: Un axicon é un dos elementos difractivos pasivos a base de vidro máis empregados para xerar feixes de Bessel. Cando un feixe gaussiano incide normalmente sobre un axicon e pasa a través del, a súa distribución de fase modulase, transformándoo nun feixe de Bessel de orde cero sen ningunha perda de enerxía, como se mostra na figura seguinte.

Debido ao baixo custo, á facilidade de uso e ao alto limiar de dano láser dos axicons de vidro, así como á súa excepcionalmente alta eficiencia de utilización de enerxía, os axicons son a principal opción para xerar feixes de Bessel de pulsos ultracurtos no campo do procesamento láser. A figura seguinte mostra un esquema do estreitamento e a transmisión do feixe dun feixe de Bessel de orde cero. Axustando a ampliación e a orientación do sistema de imaxe 4f, pódense controlar facilmente a distancia de propagación non difractiva, o ángulo do medio cono e o ángulo de inclinación na dirección de propagación do feixe de Bessel.

Cando un feixe de Bessel de orde cero cun ángulo de medio cono de Ɵ1 e unha distancia de propagación libre de difracción de Zmax pasa a través dun sistema 4f composto por unha lente (L1) e unha lente obxectiva (L2), as dimensións xeométricas comprimiranse aínda máis. O aumento lateral é de aproximadamente M=f1/f2=5 e o aumento lonxitudinal é de aproximadamente M2=25. Polo tanto, a imaxe final do feixe de Bessel de orde cero dentro da mostra pódese representar mediante os parámetros xeométricos:

Parámetros xeométricos do feixe de Bessel obtidos dentro dunha mostra de vidro de cuarzo baixo diferentes ángulos de cono e aumentos de compresión do feixe.

Distribución da intensidade do campo focal dun feixe de Bessel

• r e z: compoñentes de coordenadas radiais e axiais, respectivamente.
• λ: lonxitude de onda central do láser.
• w: raio en 1/e² do feixe gaussiano incidente.
• P0: Potencia máxima do láser de pulso ultracurto.
• β1: Ángulo de medio cono da viga de Bessel despois da compresión da viga.
• k: Vector de onda.
• J0: Función de Bessel de orde cero.

Distribución da intensidade do feixe de Bessel de orde cero dentro do vidro de cuarzo: á esquerda móstranse a distribución da densidade de potencia óptica ao longo da dirección de propagación e a vista en sección transversal, e á dereita móstranse a distribución da densidade de potencia óptica ao longo do eixe e a vista en sección transversal.

2. Características do feixe de Bessel de pulsos de femtosegundos en vidro de sílice fundido

A figura (a) mostra as micrografías da interacción entre feixes de Bessel de pulsos de femtosegundos e vidro de sílice fundida a diferentes enerxías de pulso. A anchura do pulso láser está fixada en 220 fs e o ángulo de medio cono do feixe de Bessel dentro da mostra é de 12,4°. Pódese observar que a rexión afectada polo láser presenta unha estrutura lineal unidimensional típica. Cando a enerxía do pulso láser é inferior a 9,5 μJ, o índice de refracción do material na rexión focal aumenta, aparecendo como unha rexión negra na micrografía.

Cando a enerxía do pulso láser supera os 9,5 μJ, o índice de refracción do material na rexión focal diminúe, aparecendo como unha rexión branca na micrografía, e a lonxitude da rexión branca aumenta ao aumentar a enerxía do pulso. Ao pulir a mostra, observamos as características morfolóxicas da rexión branca a unha enerxía de pulso de 15,4 μJ baixo un microscopio electrónico de varrido, como se mostra na Figura (b). Pódese concluír que se forma un nanoporo cun diámetro de aproximadamente 200 nm na rexión cun índice de refracción reducido.

Mediante sistemas de gravado con feixe de ións e observación con microscopio electrónico de varrido in situ, confirmamos aínda máis a presenza do nanoporo (Figura c). Polo tanto, para minimizar a xeración de defectos inducidos por láser, a enerxía dun só pulso non debe superar os 9,5 μJ durante a soldadura por láser.

3. Conseguir unha microsoldadura de alta calidade entre cristais de sílice fundida usando láser de pulsos ultracurtos de Bessel.

A figura (a) mostra unha micrografía desde arriba da superficie de soldadura da mostra. Pódese observar que a liña de soldadura láser é uniforme e lisa. Aínda que aínda hai algúns defectos de microporos distribuídos aleatoriamente na área soldada, en xeral, é significativamente mellor que a liña de soldadura láser gaussiana. As medicións mostran que o ancho da liña de soldadura é de aproximadamente 18 μm e o espazado entre as liñas de soldadura é de 40 μm. A figura (b) mostra unha micrografía lateral da liña de soldadura da mostra.

Pódese observar que o espazo entre as mostras desaparece por completo despois do procesamento con láser e que o material preto da interface fusionouse nunha soa entidade despois de someterse ao proceso de fusión-arrefriamento térmico. As medicións revelan que a profundidade da rexión de fusión térmica inducida por láser alcanza os 227 μm. Isto indica que durante a soldadura láser con estes parámetros, a profundidade axial da posición focal pode alcanzar os 227 μm, o que é catro veces maior que a soldadura láser gaussiana nas mesmas condicións.

4. Onde mercar lentes Bessel?

Wavelength Opto-Electronic ofrece lentes Bessel de alta calidade que se empregan en aplicacións de procesamento láser. A capacidade de axustar a profundidade de foco do feixe de saída mediante o axuste do tamaño do diámetro do feixe de entrada é a característica máis atractiva deste sistema óptico de feixe Bessel.