Materjalide samaaegseks sulatamiseks liidese mõlemal küljel ja tugeva mikropiirkonna sideme loomiseks tuleb laseri fookuspunkt proovile täpselt fokuseerida, mis seab keevitussüsteemi töötlemise täpsusele ranged nõudmised. Lisaks on Gaussi kiire suure aksiaalse intensiivsusgradiendi tõttu pärast fokuseerimist fookusvälja temperatuur ebaühtlane, mistõttu on laseriga mõjutatud piirkonnas kalduvus mikro- ja nanotühjenduste defektidele, mis omakorda mõjutab proovi keevituskvaliteeti.
Ruumilise valguse kujundamise tehnoloogia abil saab genereerida nulljärku Besseli kiiri, et optimeerida laserkiire fookusvälja intensiivsuse jaotust. See lähenemisviis vähendab aksiaalset intensiivsusgradienti ja pikendab fookuskaugust, suurendades seeläbi laserkiire moodustatud termilise efekti piirkonna sügavuse ja laiuse suhet. Selle tulemusel väheneb laserkeevitussüsteemi fokuseerimistäpsuse nõue, parandades nii keevituse kvaliteeti kui ka efektiivsust.
1. Mittedifraktsiooniliste Besseli talade genereerimine ja parameetrite kujundamine
1987. aastal pakkus Durnin esmakordselt välja nulljärku Besseli kiire, millel on ainulaadsed mittedifraktsioonivad omadused: selle põikisuunaline valgusvälja intensiivsuse jaotus jääb levimise ajal muutumatuks ja keskpunkti suurus on alati difraktsioonipiiri lähedal. Lisaks on Besseli kiirtel levimise ajal ka isetervenev omadus. Kui keskpunkt on takistatud, koondub ümbritsev valgus keskpunkti poole, et keskset punkti "parandada". Nulljärku Besseli kiire põikisuunalise valgusvälja jaotuse matemaatiline avaldis on:
Avaldises:
- J0 tähistab nulljärku Besseli funktsiooni.
- r ja φ on vastavalt radiaal- ja nurkkoordinaatelemendid.
- z on levimiskaugus.
- Kr ja Kz on vastavalt põiki- ja pikisuunalised lainevektori elemendid.
Nulljärku Besseli kiire kesksel põhipunktil on tugev sulgemisvõime, mis võimaldab kiirgustasemeid suurusjärgus TW/cm² või kõrgemal, mis suudab materjalides tõhusalt ergutada mittelineaarset neeldumist. Veelgi olulisem on see, et nulljärku Besseli kiirte mittedifraktsiooniline levik tagab suurema fookussügavuse ja väiksema aksiaalse intensiivsusgradiendi, luues seeläbi peaaegu ühtlase temperatuurivälja ja pärssides keevitusdefektide teket.
Järgmisel joonisel on näidatud Besseli ja Gaussi kiirte fookuskauguste võrdlus sama põikisuunalise piiramisvõime korral. Besseli kiirtel on märkimisväärne fookussügavus, säilitades samal ajal põikisuunalise mikronitaseme fookuspunkti läbimõõdu.
Nulljärku Besseli talade genereerimiseks on mitu meetodit ja järgmised kolm peamist meetodit on levinumad:
Rõngakujulise ava meetod: Nagu nimigi ütleb, hõlmab rõngakujulise ava meetod Besseli kiirte tekitamiseks rõngakujulise pilu kasutamist. See oli ka esimene edukas meetod Besseli kiirte genereerimiseks. Allolev diagramm illustreerib rõngakujulise ava meetodit Besseli kiirte genereerimiseks. Vasakult langeb rõngakujulisele pilule risti tasapinnaline laine ja toimub difraktsioon.
Seejärel teostab positiivne lääts Fourier' teisenduse, mille tulemusel moodustub läätse taha Besseli kiir. Mittedifraktsiooniline levimiskaugus Zmax on seotud rõngakujulise pilu läbimõõduga d ja läätse numbrilise apertuuriga.
Kuigi see meetod suudab genereerida nulljärku Besseli kiiri, on energia muundamise efektiivsus äärmiselt madal, mistõttu on seda raske lasertöötlusväljadel rakendada.
Ruumilise valgusmodulaatori meetod: nulljärku Besseli kiire genereerimise protsess on sisuliselt kiire faasijaotuse muutmise protsess. Seetõttu saab nulljärku Besseli kiirt genereerida ka ruumilise valgusmodulaatori abil. Ruumiline valgusmodulaator on optoelektroonilise modulatsiooniseadme tüüp, mis kontrollib valgusvälja intensiivsust ja faasijaotust elektriliste signaalide abil. Nulljärku Besseli kiirt saab genereerida koonilise läätse faasi rakendamisega ruumilise valgusmodulaatori tööpaneelile, nagu on näidatud alloleval joonisel.
Aksikoni meetod: aksikon on üks enimkasutatavaid passiivklaasist difraktsioonielemente Besseli kiirte genereerimiseks. Kui Gaussi kiir langeb tavaliselt aksikonile ja läbib seda, moduleeritakse selle faasijaotust, muutes selle nulljärku Besseli kiirteks ilma energiakadudeta, nagu on näidatud alloleval joonisel.
Klaasist aksikonite madala hinna, kasutusmugavuse ja kõrge laserkahjustuse läve ning erakordselt kõrge energiakasutuse efektiivsuse tõttu on aksikonid lasertöötluse valdkonnas ülilühikeste impulss-Besseli kiirte genereerimise peamine valik. Allolev joonis näitab nulljärku Besseli kiire kiire kitsenemise ja läbilaskvuse skeemi. 4f-pildistussüsteemi suurenduse ja orientatsiooni reguleerimise abil saab hõlpsalt reguleerida Besseli kiire mittedifraktsioonilist levimiskaugust, poolkoonuse nurka ja kaldenurka levimissuunas.
Kui nulljärku Besseli kiir poolkoonuse nurgaga Ɵ1 ja difraktsioonivaba levimiskaugusega Zmax läbib läätse (L1) ja objektiivi (L2) koosnevat 4f süsteemi, siis geomeetrilised mõõtmed vähenevad veelgi. Külgsuunaline suurendus on ligikaudu M=f1/f2=5 ja pikisuunaline suurendus on ligikaudu M2=25. Seega saab proovis oleva nulljärku Besseli kiire lõplikku kujutist esitada järgmiste geomeetriliste parameetritega:
Besseli tala geomeetrilised parameetrid kvartsklaasist proovis erinevate koonuse nurkade ja kiire kokkusurumise suurenduste all.
| Aksiaalne tipunurk α (°) | Sisendkiire raadius d(mm) | (ee) | M=f1/f2 | Ɵ2 (°) | Zmax2 | |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 20 | 3.1 | 3504 | 10.04 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 30 | 4.7 | 1555. aasta | 6.7 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 40 | 6.2 | 873 | 5.02 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 50 | 7.8 | 558 | 4.02 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 20 | 6.2 | 1747. aasta | 5.02 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 30 | 9.3 | 772 | 3.36 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 40 | 12.4 | 432 | 2.52 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 50 | 15.5 | 274 | 2.04 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 20 | 15.5 | 684 | 2.04 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 30 | 23.3 | 294 | 1.38 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 40 | 38.83 | 94,4 | 0,86 |
Besseli kiire fookusvälja intensiivsuse jaotus
- r ja z: vastavalt radiaal- ja aksiaalkoordinaatide komponendid.
- λ: Laseri keskmine lainepikkus.
- w: langeva Gaussi kiire raadius 1/e².
- P0: Ülikiire impulsslaseri tippvõimsus.
- β1: Besseli tala poolkoonuse nurk pärast tala kokkusurumist.
- k: Lainevektor.
- J0: Nulljärku Besseli funktsioon.
Nulljärgu Besseli kiire intensiivsuse jaotus kvartsklaasis: vasakul on optilise võimsustiheduse jaotus levimissuunas ja ristlõige ning paremal on optilise võimsustiheduse jaotus teljel ja ristlõige.
2. Femtosekundilise impulsiga Besseli kiire omadused sulatatud ränidioksiidklaasis
Joonisel (a) on näidatud femtosekundiliste impulssidega Besseli kiirte ja sulatatud ränidioksiidklaasi vastastikmõju mikrofotod erinevatel impulsienergiatel. Laseri impulsi laius on fikseeritud 220 fs-le ja Besseli kiire poolkoonuse nurk proovi sees on 12,4°. On näha, et laseriga mõjutatud piirkonnal on tüüpiline ühemõõtmeline lineaarne struktuur. Kui laseri impulsi energia on alla 9,5 μJ, suureneb materjali murdumisnäitaja fokaalpiirkonnas, mis mikrofotol ilmub musta piirkonnana.
Kui laserimpulsi energia ületab 9,5 μJ, siis materjali murdumisnäitaja fokaalpiirkonnas väheneb, mikrofotol ilmnedes valge piirkonnana, ning valge piirkonna pikkus suureneb impulsi energia suurenedes. Proovi poleerides vaatlesime skaneeriva elektronmikroskoobi all valge piirkonna morfoloogilisi omadusi impulsi energial 15,4 μJ, nagu on näidatud joonisel (b). Võib järeldada, et vähendatud murdumisnäitajaga piirkonnas moodustub ligikaudu 200 nm läbimõõduga nanopoor.
Ioonkiire söövituse ja kohapealsete skaneeriva elektronmikroskoobi vaatlussüsteemide abil kinnitasime veelgi nanopoori olemasolu (joonis c). Seetõttu ei tohiks laseriga indutseeritud defektide tekkimise minimeerimiseks laserkeevituse ajal ühe impulsi energia ületada 9,5 μJ.
3. Kvaliteetse mikrokeevituse saavutamine sulatatud ränidioksiidist klaaside vahel Besseli ülilühikese impulsslaseri abil.
Joonisel (a) on näidatud proovi keevituspinna pealtvaates tehtud mikrofoto. On näha, et laserkeevitusjoon on ühtlane ja sile. Kuigi keevitatud alal on endiselt mõned juhuslikult jaotunud mikropooride defektid, on see üldiselt oluliselt parem kui Gaussi laserkeevitusjoon. Mõõtmised näitavad, et keevitusjoone laius on ligikaudu 18 μm ja keevitusjoonte vaheline kaugus on 40 μm. Joonisel (b) on näidatud proovi keevitusjoone külgvaates tehtud mikrofoto.
On näha, et proovide vaheline vahe kaob pärast lasertöötlust täielikult ning liidese lähedal olev materjal on pärast termilise sulamise-jahutamise protsessi läbimist ühtseks tervikuks sulandunud. Mõõtmised näitavad, et laseriga indutseeritud termilise sulamise piirkonna sügavus ulatub kuni 227 μm-ni. See näitab, et nende parameetritega laserkeevituse ajal võib fookusasendi aksiaalne sügavus ulatuda kuni 227 μm-ni, mis on neli korda suurem kui samadel tingimustel Gaussi laserkeevituse korral.
4. Kust osta Besseli läätsesid?
Wavelength Opto-Electronic pakub kvaliteetseid Besseli läätsesid, mida kasutatakse lasertöötlusrakendustes. Selle Besseli kiire optilise süsteemi kõige atraktiivsem omadus on väljundkiire fookussügavuse reguleerimise võimalus sisendkiire läbimõõdu suuruse reguleerimise teel.
| Osa nr | Lainepikkus (nm) | Töökaugus (mm) | Maksimaalne sisendkiire läbimõõt (mm) | Kavandatud teravustamissügavus (mm) | Kogupikkus (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| BESL-355-D10-T1 | 355 | 15.50 | 10 | 1.0 | 377.00 |
| BESL-532-10-D10 | 532 | 11.86 | 10 | 1.5 | 202,84 |
| BESL-1064-D10-T2 | 1064 | 10.80 | 10 | 2.0 | 238.00 |
| BESL-1064-D20-T12 | 1064 | 15.00 | 20 | 12.0 | 315.05 |
Postituse aeg: 10. okt 2024