बेसेल बीम डिजाइन विधिहरू

इन्टरफेसको दुबै छेउमा रहेका सामग्रीहरूलाई एकैसाथ पगाल्न र उच्च-शक्तिको सूक्ष्म-क्षेत्र बन्धन स्थापना गर्न, लेजर फोकल पोइन्ट नमूनामा ठीकसँग केन्द्रित हुनुपर्छ, जसले वेल्डिंग प्रणालीको प्रशोधन शुद्धतामा कडा मागहरू लगाउँछ। थप रूपमा, फोकस गरेपछि गौसियन बीमको ठूलो अक्षीय तीव्रता ढाँचाको कारण, फोकल क्षेत्रको तापक्रम असमान हुन्छ, जसले गर्दा लेजर-प्रभावित क्षेत्रमा सूक्ष्म- र न्यानो-शून्य दोषहरू बन्ने सम्भावना हुन्छ, जसले गर्दा नमूनाको वेल्डिंग गुणस्तरमा असर पर्छ।

लेजर फोकल फिल्डको तीव्रता वितरणलाई अनुकूलन गर्न शून्य-क्रम बेसेल बीमहरू उत्पन्न गर्न स्थानिय प्रकाश आकार दिने प्रविधि प्रयोग गर्न सकिन्छ। यो दृष्टिकोणले अक्षीय तीव्रता ढाँचा घटाउँछ र फोकल लम्बाइ विस्तार गर्छ, जसले गर्दा लेजरद्वारा गठित थर्मल प्रभाव क्षेत्रको गहिराई-देखि-चौडाइ अनुपात बढ्छ। फलस्वरूप, यसले लेजर वेल्डिंग प्रणालीको फोकसिङ शुद्धता आवश्यकताहरूलाई कम गर्छ, वेल्डिंग गुणस्तर र दक्षता दुवै सुधार गर्छ।

१. गैर-विभाजित बेसेल बीमहरूको उत्पादन र प्यारामिटर डिजाइन

१९८७ मा, डर्निनले पहिलो पटक शून्य-क्रम बेसेल बीम प्रस्ताव गरे, जसले अद्वितीय गैर-विवर्तनशील गुणहरू देखाउँछ: प्रसारको समयमा यसको अनुप्रस्थ प्रकाश क्षेत्र तीव्रता वितरण अपरिवर्तित रहन्छ, र केन्द्रीय स्थानको आकार सधैं विवर्तन सीमाको नजिक हुन्छ। थप रूपमा, बेसेल बीमहरूले प्रसारको समयमा स्व-उपचार गुण पनि प्रदर्शन गर्छन्। जब केन्द्रीय स्थान अवरुद्ध हुन्छ, वरपरको प्रकाश केन्द्रीय स्थानलाई "मरम्मत" गर्न केन्द्रतिर अभिसरण हुनेछ। शून्य-क्रम बेसेल बीमको अनुप्रस्थ प्रकाश क्षेत्र वितरणको लागि गणितीय अभिव्यक्ति हो:

अभिव्यक्तिमा:

• J0 ले शून्य-क्रम बेसेल प्रकार्यलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ।
• r र φ क्रमशः रेडियल र कोणीय निर्देशांक तत्वहरू हुन्।
• z प्रसार दूरी हो।
• Kr र Kz क्रमशः अनुप्रस्थ र अनुदैर्ध्य तरंगभेक्टर तत्वहरू हुन्।

शून्य-क्रम बेसेल बीमको केन्द्रीय मुख्य स्थानमा बलियो बन्देज क्षमता हुन्छ, जसले TW/cm² वा सोभन्दा माथिको क्रमको विकिरण स्तरलाई अनुमति दिन्छ, जसले सामग्रीहरूमा गैर-रेखीय अवशोषणलाई प्रभावकारी रूपमा उत्तेजित गर्न सक्छ। अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, शून्य-क्रम बेसेल बीमहरूको गैर-विवर्तनशील प्रसार विशेषताले फोकसको ठूलो गहिराइ र सानो अक्षीय तीव्रता ढाँचा प्रदान गर्दछ, यसरी लगभग एकसमान तापक्रम क्षेत्र सिर्जना गर्दछ र वेल्डिंग दोषहरूको गठनलाई दबाउँछ।

निम्न चित्रले समान ट्रान्सभर्स कन्फिनेन्स क्षमता अन्तर्गत बेसेल बीम र गौसियन बीमहरूको फोकल लम्बाइको तुलना देखाउँछ। बेसेल बीमहरूमा ट्रान्सभर्स माइक्रोन-स्तरको फोकल स्पट व्यास कायम राख्दै फोकसको पर्याप्त गहिराइ हुन्छ।

शून्य-क्रम बेसेल बीमहरू उत्पन्न गर्ने धेरै तरिकाहरू छन्, र निम्न तीन मुख्य विधिहरू सामान्य छन्:

कुण्डलाकार एपर्चर विधि: नामले सुझाव दिए जस्तै कुण्डलाकार एपर्चर विधिमा बेसेल बीमहरू उत्पादन गर्न कुण्डलाकार स्लिट प्रयोग गरिन्छ। यो बेसेल बीमहरू उत्पादन गर्ने पहिलो सफल विधि पनि थियो। तलको रेखाचित्रले बेसेल बीमहरू उत्पादन गर्न कुण्डलाकार एपर्चर विधिलाई चित्रण गर्दछ। समतल तरंग बायाँबाट कुण्डलाकार स्लिटमा लम्बवत रूपमा आबद्ध हुन्छ र विवर्तन हुन्छ।

त्यसपछि, सकारात्मक लेन्सले फुरियर रूपान्तरण गर्दछ, जसको परिणामस्वरूप लेन्सको पछाडि बेसेल बीम बन्छ। गैर-विभाजित प्रसार दूरी Zmax ​वलयकार स्लिटको व्यास d र लेन्सको संख्यात्मक एपर्चरसँग सम्बन्धित छ।

यद्यपि यो विधिले शून्य-क्रम बेसेल बीमहरू उत्पन्न गर्न सक्छ, ऊर्जा रूपान्तरण दक्षता अत्यन्तै कम छ, जसले गर्दा लेजर प्रशोधन क्षेत्रहरूमा लागू गर्न गाह्रो हुन्छ।

स्थानिय प्रकाश मोड्युलेटर विधि: शून्य-क्रम बेसेल बीमको उत्पादन प्रक्रिया मूलतः बीमको चरण वितरण परिवर्तन गर्ने प्रक्रिया हो। त्यसकारण, स्थानिय प्रकाश मोड्युलेटर प्रयोग गरेर शून्य-क्रम बेसेल बीम पनि उत्पन्न गर्न सकिन्छ। स्थानिय प्रकाश मोड्युलेटर एक प्रकारको अप्टोइलेक्ट्रोनिक मोड्युलेसन उपकरण हो जसले विद्युतीय संकेतहरू मार्फत प्रकाश क्षेत्रको तीव्रता र चरण वितरण नियन्त्रण गर्दछ। तलको चित्रमा देखाइए अनुसार, स्थानिय प्रकाश मोड्युलेटरको कार्य प्यानलमा कोनिकल लेन्स चरण लागू गरेर शून्य-क्रम बेसेल बीम उत्पन्न गर्न सकिन्छ।

एक्सिकन विधि: एक्सिकन बेसेल बीमहरू उत्पादन गर्नको लागि सबैभन्दा धेरै प्रयोग हुने निष्क्रिय गिलास-आधारित विवर्तक तत्वहरू मध्ये एक हो। जब गाउसियन बीम सामान्यतया आसन्न हुन्छ र एक्सिकनबाट जान्छ, यसको चरण वितरण मोड्युलेट हुन्छ, यसलाई कुनै पनि ऊर्जा हानि बिना शून्य-क्रम बेसेल बीममा रूपान्तरण गर्दछ, जुन तलको चित्रमा देखाइएको छ।

कम लागत, प्रयोगमा सहजता, र गिलास एक्सिकनहरूको उच्च लेजर क्षति थ्रेसहोल्ड, साथै तिनीहरूको असाधारण रूपमा उच्च ऊर्जा उपयोग दक्षताको कारण, एक्सिकनहरू लेजर प्रशोधनको क्षेत्रमा अल्ट्रासर्ट पल्स बेसेल बीमहरू उत्पन्न गर्न प्राथमिक विकल्प हुन्। तलको चित्रले शून्य-क्रम बेसेल बीमको बीम संकुचन र प्रसारणको योजनाबद्ध देखाउँछ। 4f इमेजिङ प्रणालीको म्याग्निफिकेसन र अभिमुखीकरण समायोजन गरेर, गैर-विवर्तनशील प्रसार दूरी, आधा-कोन कोण, र बेसेल बीमको प्रसार दिशामा झुकाव कोण सजिलै नियन्त्रण गर्न सकिन्छ।

जब Ɵ1 को आधा-कोन कोण र Zmax को विवर्तन-मुक्त प्रसार दूरी भएको शून्य-क्रम बेसेल बीम लेन्स (L1) र वस्तुगत लेन्स (L2) मिलेर बनेको 4f प्रणालीबाट जान्छ, ज्यामितीय आयामहरू थप संकुचित हुनेछन्। पार्श्व म्याग्निफिकेसन लगभग M=f1/f2=5 छ, र अनुदैर्ध्य म्याग्निफिकेसन लगभग M2=25 छ। यसरी, नमूना भित्र शून्य-क्रम बेसेल बीमको अन्तिम इमेजिङ ज्यामितीय प्यारामिटरहरू द्वारा प्रतिनिधित्व गर्न सकिन्छ:

विभिन्न कोन कोण र बीम कम्प्रेसन म्याग्निफिकेसन अन्तर्गत क्वार्ट्ज गिलास नमूना भित्र चित्रित बेसेल बीमको ज्यामितीय प्यारामिटरहरू।

बेसेल बीमको फोकस क्षेत्र तीव्रता वितरण

• r र z: क्रमशः रेडियल र अक्षीय निर्देशांक घटकहरू।
• λ: लेजरको केन्द्रीय तरंगदैर्ध्य।
• w: घटना गाउसियन बीमको १/e² त्रिज्या।
• P0: अल्ट्रासर्ट पल्स लेजरको अधिकतम शक्ति।
• β1: बीम कम्प्रेसन पछि बेसेल बीमको आधा-कोन कोण।
• k: तरंग भेक्टर।
• J0: शून्य-क्रम बेसेल प्रकार्य।

क्वार्ट्ज गिलास भित्र शून्य-क्रम बेसेल बीमको तीव्रता वितरण: बायाँमा प्रसार दिशा र क्रस-सेक्शनल दृश्यको साथ अप्टिकल पावर घनत्व वितरण छ, र दायाँमा अक्ष र क्रस-सेक्शनल दृश्यको साथ अप्टिकल पावर घनत्व वितरण छ।

२. फ्युज्ड सिलिका ग्लासमा फेमटोसेकेन्ड पल्स बेसेल बीमका विशेषताहरू

चित्र (क) ले विभिन्न पल्स ऊर्जाहरूमा फेमटोसेकेन्ड पल्स बेसेल बीम र फ्युज्ड सिलिका ग्लास बीचको अन्तरक्रियाको माइक्रोग्राफहरू देखाउँछ। लेजर पल्स चौडाइ २२० fs मा स्थिर छ, र नमूना भित्र बेसेल बीमको आधा-कोन कोण १२.४° छ। यो अवलोकन गर्न सकिन्छ कि लेजर-प्रभावित क्षेत्रले एक विशिष्ट एक-आयामी रेखीय संरचना प्रदर्शन गर्दछ। जब लेजर पल्स ऊर्जा ९.५ μJ भन्दा कम हुन्छ, फोकल क्षेत्रमा सामग्रीको अपवर्तक सूचकांक बढ्छ, माइक्रोग्राफमा कालो क्षेत्रको रूपमा देखा पर्दछ।

जब लेजर पल्स ऊर्जा ९.५ μJ भन्दा बढी हुन्छ, फोकल क्षेत्रमा रहेको सामग्रीको अपवर्तक सूचकांक घट्छ, माइक्रोग्राफमा सेतो क्षेत्रको रूपमा देखा पर्दछ, र सेतो क्षेत्रको लम्बाइ बढ्दो पल्स ऊर्जासँगै बढ्छ। नमूनालाई पालिस गरेर, हामीले चित्र (ख) मा देखाइए अनुसार स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप अन्तर्गत १५.४ μJ को पल्स ऊर्जामा सेतो क्षेत्रको रूपात्मक विशेषताहरू अवलोकन गर्यौं। यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि कम अपवर्तक सूचकांक भएको क्षेत्रमा लगभग २०० एनएम व्यास भएको न्यानोपोर बनाइएको छ।

आयन बीम एचिंग र इन-सिटु स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप अवलोकन प्रणालीहरू मार्फत, हामीले न्यानोपोरको उपस्थितिलाई थप पुष्टि गर्यौं (चित्र c)। त्यसकारण, लेजर-प्रेरित दोषहरूको उत्पादनलाई कम गर्न, लेजर वेल्डिंगको समयमा एकल पल्स ऊर्जा 9.5 μJ भन्दा बढी हुनु हुँदैन।

३. बेसेल अल्ट्रासर्ट पल्स लेजर प्रयोग गरेर फ्युज्ड सिलिका चश्मा बीच उच्च-गुणस्तरको माइक्रो-वेल्डिंग प्राप्त गर्ने।

चित्र (क) ले नमूनाको वेल्डिंग सतहको माथिल्लो-दृश्य माइक्रोग्राफ देखाउँछ। यो देख्न सकिन्छ कि लेजर वेल्ड लाइन एकरूप र चिल्लो छ। यद्यपि वेल्डेड क्षेत्रमा अझै पनि केही अनियमित रूपमा वितरित माइक्रोपोर दोषहरू छन्, समग्रमा, यो गौसियन लेजर वेल्ड लाइन भन्दा उल्लेखनीय रूपमा राम्रो छ। मापनहरूले देखाउँछ कि वेल्ड लाइन चौडाइ लगभग १८ μm छ, र वेल्ड लाइनहरू बीचको दूरी ४० μm छ। चित्र (ख) ले नमूनाको वेल्ड लाइनको साइड-दृश्य माइक्रोग्राफ देखाउँछ।

लेजर प्रशोधन पछि नमूनाहरू बीचको खाडल पूर्ण रूपमा गायब भएको देख्न सकिन्छ, र इन्टरफेस नजिकको सामग्री थर्मल पिघलने-कूलिंग प्रक्रियाबाट गुज्रिएपछि एकल इकाईमा फ्यूज भएको छ। मापनले लेजर-प्रेरित थर्मल पिघलने क्षेत्रको गहिराई २२७ μm सम्म पुग्छ भनेर देखाउँछ। यसले संकेत गर्दछ कि यी प्यारामिटरहरूसँग लेजर वेल्डिंगको समयमा, फोकल स्थितिको अक्षीय गहिराई २२७ μm सम्म पुग्न सक्छ, जुन समान अवस्थाहरूमा गौसियन लेजर वेल्डिंगको चार गुणा हो।

४. बेसेल लेन्स कहाँबाट किन्ने?

वेभलेन्थ ओप्टो-इलेक्ट्रोनिकले लेजर प्रशोधन अनुप्रयोगहरूमा प्रयोग हुने उच्च-गुणस्तरको बेसेल लेन्सहरू प्रदान गर्दछ। इनपुट बीम व्यासको आकार समायोजन गरेर आउटपुट बीमको फोकसको गहिराइको ट्युनेबिलिटी यस बेसेल बीम अप्टिकल प्रणालीको सबैभन्दा आकर्षक विशेषता हो।