Bessel-trabaj dezajnaj metodoj

Por samtempe fandi la materialojn ambaŭflanke de la interfaco kaj establi alt-fortan mikro-regionan ligon, la lasera fokuso devas esti precize fokusita sur la specimeno, kio trudas striktajn postulojn al la prilabora precizeco de la veldsistemo. Krome, pro la granda aksa intensecgradiento de la Gaŭsa fasko post fokusado, la fokusa kampotemperaturo estas neegala, igante ĝin ema al formado de mikro- kaj nano-malplenaj difektoj en la laser-trafita regiono, kio siavice influas la veldkvaliton de la specimeno.

Spaca lumforma teknologio povas esti uzata por generi nul-ordajn Bessel-faskojn por optimumigi la intensecan distribuon de la lasera fokusa kampo. Ĉi tiu aliro reduktas la aksan intensecan gradienton kaj plilongigas la fokusan distancon, tiel pliigante la rilatumon inter profundo kaj larĝo de la termika efika regiono formita de la lasero. Rezulte, ĝi reduktas la postulojn pri fokusa precizeco de la lasera veldsistemo, plibonigante kaj la veldkvaliton kaj la efikecon.

1. La Generado kaj Parametra Dezajno de Ne-Difraktantaj Bessel-Radioj

En 1987, Durnin unue proponis la nul-ordan Bessel-faskon, kiu montras unikajn ne-difraktajn ecojn: ĝia transversa lumkampa intenseca distribuo restas senŝanĝa dum disvastiĝo, kaj la grandeco de la centra makulo ĉiam estas proksima al la difrakta limo. Krome, Bessel-faskoj ankaŭ montras mem-resanigan proprecon dum disvastiĝo. Kiam la centra makulo estas obstrukcita, la ĉirkaŭa lumo konverĝos al la centro por "ripari" la centran makulon. La matematika esprimo por la transversa lumkampa distribuo de nul-orda Bessel-fasko estas:

En la esprimo:

• J0 reprezentas la nul-ordan Bessel-funkcion.
• r kaj φ estas la radialaj kaj angulaj koordinataj elementoj, respektive.
• z estas la disvastiĝdistanco.
• Kr kaj Kz estas la transversaj kaj longitudaj ondvektoraj elementoj, respektive.

La centra ĉefa punkto de nul-orda Bessel-trabo havas fortan kapablon de enfermo, permesante surradiajn nivelojn de la ordo de TW/cm² aŭ pli altaj, kiuj povas efike eksciti nelinearan sorbadon en materialoj. Pli grave, la ne-difrakta disvastiĝa karakterizaĵo de nul-ordaj Bessel-traboj provizas pli grandan fokusprofundon kaj pli malgrandan aksan intensecan gradienton, tiel kreante preskaŭ unuforman temperaturkampon kaj subpremante la formadon de veldaj difektoj.

La sekva figuro montras komparon de la fokusa distanco de Bessel-radioj kaj Gaussian-radioj sub la sama transversa enferma kapablo. Bessel-radioj posedas konsiderindan fokusprofundon konservante transversan mikron-nivelan fokusan punktodiametron.

Ekzistas pluraj metodoj por generi nul-ordajn Bessel-trabojn, kaj la jenaj tri ĉefaj metodoj estas oftaj:

Metodo de Ringa Aperturo: La metodo de ringa aperturo, kiel la nomo sugestas, implikas la uzon de ringa fendo por produkti Bessel-radiojn. Ĉi tio ankaŭ estis la unua sukcesa metodo por generi Bessel-radiojn. La diagramo sube ilustras la metodon de ringa aperturo por generi Bessel-radiojn. Ebena ondo estas perpendikulare en la ringa fendo de maldekstre kaj okazas difrakto.

Poste, pozitiva lenso plenumas Fourier-transformon, rezultante en la formado de Bessel-fasko malantaŭ la lenso. La ne-difraktanta disvastiĝdistanco Zmax rilatas al la diametro d de la ringoforma fendo kaj la numera aperturo de la lenso.

Kvankam ĉi tiu metodo povas generi nul-ordajn Bessel-trabojn, la energi-konvertefikeco estas ekstreme malalta, malfaciligante ĝian aplikon en laseraj prilaboraj kampoj.

Metodo de Spaca Lummodulilo: La genera procezo de nul-orda Bessel-fasko estas esence procezo de ŝanĝo de la fazdistribuo de la fasko. Tial, nul-orda Bessel-fasko ankaŭ povas esti generita uzante spacan lummodulilon. Spaca lummodulilo estas tipo de optoelektronika modula aparato, kiu kontrolas la intensecon kaj fazdistribuon de la lumkampo per elektraj signaloj. Nul-orda Bessel-fasko povas esti generita aplikante la konusforman lensfazon, kiel montrite en la suba figuro, al la laborpanelo de la spaca lummodulilo.

Metodo de aksikono: Aksikono estas unu el la plej ofte uzataj pasivaj vitrobazitaj difraktaj elementoj por generi Bessel-faskojn. Kiam gaŭsa fasko normale incidas sur kaj trapasas aksikonon, ĝia fazdistribuo estas modulita, transformante ĝin en nul-ordan Bessel-faskon sen ia energiperdo, kiel montrite en la suba figuro.

Pro la malalta kosto, facileco de uzo, kaj alta sojlo de lasera difekto de vitraj aksikonoj, same kiel ilia escepte alta energi-utiliga efikeco, aksikonoj estas la ĉefa elekto por generi ultramallongajn pulsajn Bessel-faskojn en la kampo de lasera prilaborado. La suba figuro montras skemon de la mallarĝiĝo kaj dissendo de nul-orda Bessel-fasko. Per alĝustigo de la pligrandigo kaj orientiĝo de la 4f-bildiga sistemo, la ne-difrakta disvastiĝdistanco, la duonkonusa angulo, kaj la kliniĝ-angulo en la disvastiĝdirekto de la Bessel-fasko povas esti facile kontrolitaj.

Kiam nul-orda Bessel-fasko kun duonkonusa angulo de Ɵ1 kaj difrakto-libera disvastiĝdistanco de Zmax pasas tra 4f-sistemo konsistanta el lenso (L1) kaj objektiva lenso (L2), la geometriaj dimensioj estos plue kunpremitaj. La laterala pligrandigo estas proksimume M=f1/f2=5, kaj la longitudina pligrandigo estas proksimume M2=25. Tiel, la fina bildigo de la nul-orda Bessel-fasko ene de la specimeno povas esti reprezentita per la geometriaj parametroj:

Geometriaj parametroj de la Bessel-fasko bildigitaj ene de kvarcvitra specimeno sub malsamaj konusaj anguloj kaj faskaj kunpremaj pligrandigoj.

Fokusa kampa intenseca distribuo de Bessel-trabo

• r kaj z: Radialaj kaj aksaj koordinataj komponantoj, respektive.
• λ: Centra ondolongo de la lasero.
• w: 1/e² radiuso de la incida Gaŭsa radio.
• P0: Pinta potenco de la ultramallongega pulsa lasero.
• β1: Duonkonusa angulo de la Bessel-trabo post kunpremo de la trabo.
• k: Ondovektoro.
• J0: Nul-orda Bessel-funkcio.

Intenseco-distribuo de la nul-orda Bessel-fasko ene de kvarcvitro: Maldekstre estas la optika potenco-denseca distribuo laŭ la disvastiĝdirekto kaj la transversa sekco, kaj dekstre estas la optika potenco-denseca distribuo laŭ la akso kaj la transversa sekco.

2. Karakterizaĵoj de la femtosekunda pulsa Bessel-fasko en fandita silika vitro

Figuro (a) montras la mikrografojn de la interago inter femtosekundaj pulsaj Bessel-radioj kaj fandita silika vitro ĉe malsamaj pulsaj energioj. La lasera pulsa larĝo estas fiksita je 220 fs, kaj la duonkonusa angulo de la Bessel-radio ene de la specimeno estas 12.4°. Oni povas observi, ke la laser-trafita regiono montras tipan unu-dimensian linearan strukturon. Kiam la lasera pulsa energio estas malpli ol 9.5 μJ, la refrakta indico de la materialo en la fokusa regiono pliiĝas, aperante kiel nigra regiono en la mikrografaĵo.

Kiam la lasera pulsa energio superas 9.5 μJ, la refrakta indico de la materialo en la fokusa regiono malpliiĝas, aperante kiel blanka regiono en la mikrografo, kaj la longo de la blanka regiono pliiĝas kun kreskanta pulsa energio. Polurante la specimenon, ni observis la morfologiajn karakterizaĵojn de la blanka regiono je pulsa energio de 15.4 μJ sub skana elektrona mikroskopo, kiel montrite en Figuro (b). Oni povas konkludi, ke nanoporo kun diametro de proksimume 200 nm formiĝas en la regiono kun reduktita refrakta indico.

Per jonfaskogravurado kaj surlokaj skanadaj elektronmikroskopaj observadsistemoj, ni plue konfirmis la ĉeeston de la nanoporo (Figuro c). Tial, por minimumigi la generadon de laser-induktitaj difektoj, la unuopa pulsa energio ne devus superi 9.5 μJ dum laserveldado.

3. Atingado de altkvalita mikro-veldado inter fanditaj silikaj vitroj uzante Bessel-ultramallongan pulsan laseron.

Figuro (a) montras supran mikrografon de la velda surfaco de la specimeno. Videblas, ke la lasera veldlinio estas uniforma kaj glata. Kvankam ankoraŭ estas kelkaj hazarde distribuitaj mikroporaj difektoj en la veldita areo, ĝenerale ĝi estas signife pli bona ol la Gaŭsa lasera veldlinio. Mezuroj montras, ke la larĝo de la veldlinio estas proksimume 18 μm, kaj la interspaco inter la veldlinioj estas 40 μm. Figuro (b) montras flankan mikrografon de la veldlinio de la specimeno.

Videblas, ke la interspaco inter la specimenoj tute malaperas post lasera prilaborado, kaj la materialo proksime al la interfaco kunfandiĝis en unuopan unuon post la termika fandiĝo-malvarmiĝo. Mezuradoj montras, ke la profundo de la laser-induktita termika fandiĝoregiono atingas ĝis 227 μm. Ĉi tio indikas, ke dum lasera veldado kun ĉi tiuj parametroj, la aksa profundo de la fokusa pozicio povas atingi ĝis 227 μm, kio estas kvaroble pli granda ol tiu de Gaŭsa lasera veldado sub la samaj kondiĉoj.

4. Kie aĉeti Bessel-lensojn?

Wavelength Opto-Electronic ofertas altkvalitajn Bessel-lensojn, kiuj estas uzataj en laseraj prilaboraj aplikoj. La agordeblo de la fokusprofundo de la elira fasko per alĝustigo de la grandeco de la diametro de la enira fasko estas la plej alloga trajto de ĉi tiu Bessel-faska optika sistemo.