ინტერფეისის ორივე მხარეს მასალების ერთდროულად დნობისა და მაღალი სიმტკიცის მიკრორეგიონული ბმის დასამყარებლად, ლაზერული ფოკუსური წერტილი ზუსტად უნდა იყოს ფოკუსირებული ნიმუშზე, რაც მკაცრ მოთხოვნებს აკისრებს შედუღების სისტემის დამუშავების სიზუსტეზე. გარდა ამისა, ფოკუსირების შემდეგ გაუსის სხივის დიდი ღერძული ინტენსივობის გრადიენტის გამო, ფოკუსური ველის ტემპერატურა არათანაბარია, რაც მას ლაზერით დაზიანებულ რეგიონში მიკრო- და ნანო-სიცარიელის დეფექტების წარმოქმნისკენ მიდრეკილს ხდის, რაც თავის მხრივ გავლენას ახდენს ნიმუშის შედუღების ხარისხზე.
სივრცითი სინათლის ფორმირების ტექნოლოგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნულოვანი რიგის ბესელის სხივების გენერირებისთვის, ლაზერული ფოკალური ველის ინტენსივობის განაწილების ოპტიმიზაციის მიზნით. ეს მიდგომა ამცირებს ღერძულ ინტენსივობის გრადიენტს და აფართოებს ფოკუსურ სიგრძეს, რითაც იზრდება ლაზერის მიერ წარმოქმნილი თერმული ეფექტის რეგიონის სიღრმისა და სიგანის თანაფარდობა. შედეგად, ის ამცირებს ლაზერული შედუღების სისტემის ფოკუსირების სიზუსტის მოთხოვნებს, რაც აუმჯობესებს როგორც შედუღების ხარისხს, ასევე ეფექტურობას.
1. არადიფრაქციული ბესელის სხივების გენერაცია და პარამეტრული დიზაინი
1987 წელს დურნინმა პირველად შემოგვთავაზა ნულოვანი რიგის ბესელის სხივი, რომელიც უნიკალურ არადიფრაქციულ თვისებებს ავლენს: მისი განივი სინათლის ველის ინტენსივობის განაწილება გავრცელების დროს უცვლელი რჩება, ხოლო ცენტრალური ლაქის ზომა ყოველთვის დიფრაქციის ზღვართან ახლოსაა. გარდა ამისა, ბესელის სხივები გავრცელების დროს თვითაღდგენის თვისებასაც ავლენენ. როდესაც ცენტრალური ლაქა დაბლოკილია, მიმდებარე სინათლე ცენტრისკენ მიემართება ცენტრალური ლაქის „აღსადგენად“. ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის განივი სინათლის ველის განაწილების მათემატიკური გამოსახულებაა:
გამოთქმაში:
- J0 წარმოადგენს ნულოვანი რიგის ბესელის ფუნქციას.
- r და φ შესაბამისად რადიალური და კუთხური კოორდინატების ელემენტებია.
- z არის გავრცელების მანძილი.
- Kr და Kz, შესაბამისად, განივი და გრძივი ტალღური ვექტორული ელემენტებია.
ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის ცენტრალურ მთავარ წერტილს აქვს ძლიერი შემოფარგვლის უნარი, რაც საშუალებას იძლევა TW/cm² ან უფრო მაღალი დონის დასხივების, რამაც შეიძლება ეფექტურად გამოიწვიოს არაწრფივი შთანთქმა მასალებში. უფრო მნიშვნელოვანია, რომ ნულოვანი რიგის ბესელის სხივების არადიფრაქციული გავრცელების მახასიათებელი უზრუნველყოფს ფოკუსირების უფრო დიდ სიღრმეს და უფრო მცირე ღერძულ ინტენსივობის გრადიენტს, რითაც ქმნის თითქმის ერთგვაროვან ტემპერატურულ ველს და თრგუნავს შედუღების დეფექტების წარმოქმნას.
ქვემოთ მოცემულ ფიგურაზე ნაჩვენებია ბესელის და გაუსის სხივების ფოკუსური მანძილის შედარება ერთი და იგივე განივი შეზღუდვის შესაძლებლობის პირობებში. ბესელის სხივებს აქვთ ფოკუსირების მნიშვნელოვანი სიღრმე, ამავდროულად ინარჩუნებენ განივი მიკრონის დონის ფოკუსური წერტილის დიამეტრს.
ნულოვანი რიგის ბესელის სხივების გენერირების რამდენიმე მეთოდი არსებობს და გავრცელებულია შემდეგი სამი ძირითადი მეთოდი:
რგოლისებრი აპერტურის მეთოდი: რგოლისებრი აპერტურის მეთოდი, როგორც სახელიდან ჩანს, გულისხმობს რგოლისებრი ნაპრალის გამოყენებას ბესელის სხივების მისაღებად. ეს ასევე იყო ბესელის სხივების გენერირების პირველი წარმატებული მეთოდი. ქვემოთ მოცემული დიაგრამა ასახავს რგოლისებრი აპერტურის მეთოდს ბესელის სხივების გენერირებისთვის. ბრტყელი ტალღა მარცხნიდან პერპენდიკულარულად ეცემა რგოლისებრ ნაპრალს და ხდება დიფრაქცია.
შემდგომში, დადებითი ლინზა ასრულებს ფურიეს გარდაქმნას, რაც იწვევს ლინზის უკან ბესელის სხივის წარმოქმნას. არადიფრაქციული გავრცელების მანძილი Zmax დაკავშირებულია რგოლისებრი ჭრილის d დიამეტრთან და ლინზის რიცხვით აპერტურასთან.
მიუხედავად იმისა, რომ ამ მეთოდს შეუძლია ნულოვანი რიგის ბესელის სხივების გენერირება, ენერგიის გარდაქმნის ეფექტურობა უკიდურესად დაბალია, რაც ართულებს მის გამოყენებას ლაზერული დამუშავების სფეროებში.
სივრცითი სინათლის მოდულატორის მეთოდი: ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის გენერირების პროცესი არსებითად სხივის ფაზური განაწილების შეცვლის პროცესია. ამიტომ, ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის გენერირება ასევე შესაძლებელია სივრცითი სინათლის მოდულატორის გამოყენებით. სივრცითი სინათლის მოდულატორი არის ოპტოელექტრონული მოდულაციური მოწყობილობის ტიპი, რომელიც აკონტროლებს სინათლის ველის ინტენსივობას და ფაზურ განაწილებას ელექტრული სიგნალების საშუალებით. ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის გენერირება შესაძლებელია კონუსური ლინზის ფაზის, როგორც ეს ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში, სივრცითი სინათლის მოდულატორის სამუშაო პანელზე გამოყენებით.
აქსიკონის მეთოდი: აქსიკონი ბესელის სხივების გენერირებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებადი პასიური მინის ბაზაზე დაფუძნებული დიფრაქციული ელემენტია. როდესაც გაუსის სხივი ჩვეულებრივ ეცემა აქსიკონს და გადის მასში, მისი ფაზური განაწილება მოდულირდება, რაც მას ენერგიის დაკარგვის გარეშე ნულოვანი რიგის ბესელის სხივად გარდაქმნის, როგორც ეს ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაზე.
შუშის აქსიკონების დაბალი ღირებულების, გამოყენების სიმარტივისა და ლაზერული დაზიანების მაღალი ზღურბლის, ასევე მათი განსაკუთრებით მაღალი ენერგიის გამოყენების ეფექტურობის გამო, აქსიკონები ლაზერული დამუშავების სფეროში ულტრამოკლე პულსური ბესელის სხივების გენერირების ძირითადი არჩევანია. ქვემოთ მოცემულ ფიგურაზე ნაჩვენებია ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის სხივის შევიწროებისა და გადაცემის სქემატური გამოსახულება. 4f გამოსახულების სისტემის გადიდებისა და ორიენტაციის რეგულირებით, არადიფრაქციული გავრცელების მანძილის, ნახევარკონუსის კუთხის და ბესელის სხივის გავრცელების მიმართულებით დახრის კუთხის მარტივად კონტროლი შესაძლებელია.
როდესაც ნულოვანი რიგის ბესელის სხივი Ɵ1 ნახევარკონუსური კუთხით და Zmax დიფრაქციისგან თავისუფალი გავრცელების მანძილით გადის 4f სისტემაში, რომელიც შედგება ლინზისგან (L1) და ობიექტივისგან (L2), გეომეტრიული ზომები კიდევ უფრო შეკუმშული იქნება. გვერდითი გადიდება დაახლოებით M=f1/f2=5-ია, ხოლო გრძივი გადიდება დაახლოებით M2=25. ამრიგად, ნიმუშში ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის საბოლოო გამოსახულება შეიძლება წარმოდგენილი იყოს გეომეტრიული პარამეტრებით:
კვარცის მინის ნიმუშში გამოსახული ბესელის სხივის გეომეტრიული პარამეტრები სხვადასხვა კონუსის კუთხითა და სხივის შეკუმშვის გადიდებით.
| ღერძული წვერის კუთხე α (°) | შემავალი სხივის რადიუსი d(მმ) | (ჰმ) | 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 წელი | 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 წელი | 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 |
ბესელის სხივის ფოკუსური ველის ინტენსივობის განაწილება
- r და z: შესაბამისად, რადიალური და ღერძული კოორდინატების კომპონენტები.
- λ: ლაზერის ცენტრალური ტალღის სიგრძე.
- w: დაცემული გაუსის სხივის 1/e² რადიუსი.
- P0: ულტრამოკლე იმპულსური ლაზერის პიკური სიმძლავრე.
- β1: ბესელის სხივის ნახევარკონუსური კუთხე სხივის შეკუმშვის შემდეგ.
- k: ტალღის ვექტორი.
- J0: ნულოვანი რიგის ბესელის ფუნქცია.
კვარცის მინის შიგნით ნულოვანი რიგის ბესელის სხივის ინტენსივობის განაწილება: მარცხნივ არის ოპტიკური სიმძლავრის სიმკვრივის განაწილება გავრცელების მიმართულებით და განივი კვეთა, ხოლო მარჯვნივ არის ოპტიკური სიმძლავრის სიმკვრივის განაწილება ღერძის გასწვრივ და განივი კვეთა.
2. ფემტოწამიანი პულსური ბესელის სხივის მახასიათებლები გამდნარ სილიციუმის მინაში
სურათი (ა) გვიჩვენებს ფემტოწამიანი იმპულსური ბესელის სხივებისა და შედუღებული სილიციუმის მინას შორის ურთიერთქმედების მიკროგრაფებს სხვადასხვა იმპულსური ენერგიის დროს. ლაზერული იმპულსის სიგანე ფიქსირებულია 220 fs-ზე, ხოლო ნიმუშში ბესელის სხივის ნახევარკონუსური კუთხეა 12.4°. შეიძლება შეინიშნოს, რომ ლაზერით დაზარალებული რეგიონი ავლენს ტიპურ ერთგანზომილებიან ხაზოვან სტრუქტურას. როდესაც ლაზერული იმპულსის ენერგია 9.5 μJ-ზე ნაკლებია, კეროვან რეგიონში მასალის გარდატეხის ინდექსი იზრდება, რაც მიკროგრაფზე შავი რეგიონის სახით ჩანს.
როდესაც ლაზერული იმპულსის ენერგია 9.5 μJ-ს აღემატება, კეროვან რეგიონში მასალის გარდატეხის ინდექსი მცირდება, მიკროგრაფზე თეთრი რეგიონის სახით ჩნდება, ხოლო თეთრი რეგიონის სიგრძე იზრდება იმპულსის ენერგიის ზრდასთან ერთად. ნიმუშის გაპრიალების შედეგად, სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის ქვეშ დავაკვირდით თეთრი რეგიონის მორფოლოგიურ მახასიათებლებს 15.4 μJ იმპულსის ენერგიაზე, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზზე (b). შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ შემცირებული გარდატეხის ინდექსის მქონე რეგიონში წარმოიქმნება დაახლოებით 200 ნმ დიამეტრის ნანოფორი.
იონური სხივური გრავირებისა და ადგილზე სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის დაკვირვების სისტემების მეშვეობით, ჩვენ დამატებით დავადასტურეთ ნანოფორების არსებობა (სურათი გ). ამიტომ, ლაზერით გამოწვეული დეფექტების წარმოქმნის მინიმიზაციის მიზნით, ლაზერული შედუღების დროს ერთი იმპულსის ენერგია არ უნდა აღემატებოდეს 9.5 μJ-ს.
3. ბესელის ულტრამოკლე პულსური ლაზერის გამოყენებით გამდნარ სილიციუმის მინებს შორის მაღალი ხარისხის მიკროშედუღების მიღწევა.
სურათი (ა) გვიჩვენებს ნიმუშის შედუღების ზედაპირის ზემოდან ხედვის მიკროგრაფს. ჩანს, რომ ლაზერული შედუღების ხაზი ერთგვაროვანი და გლუვია. მიუხედავად იმისა, რომ შედუღებულ არეში ჯერ კიდევ არის რამდენიმე შემთხვევით განაწილებული მიკროფორების დეფექტი, საერთო ჯამში, ის მნიშვნელოვნად უკეთესია, ვიდრე გაუსის ლაზერული შედუღების ხაზი. გაზომვები აჩვენებს, რომ შედუღების ხაზის სიგანე დაახლოებით 18 მკმ-ია, ხოლო შედუღების ხაზებს შორის მანძილი 40 მკმ-ია. სურათი (ბ) გვიჩვენებს ნიმუშის შედუღების ხაზის გვერდითი ხედვის მიკროგრაფს.
ჩანს, რომ ლაზერული დამუშავების შემდეგ ნიმუშებს შორის არსებული უფსკრული მთლიანად ქრება და ინტერფეისთან ახლოს არსებული მასალა თერმული დნობა-გაგრილების პროცესის გავლის შემდეგ ერთ მთლიანობად შეერწყა. გაზომვები აჩვენებს, რომ ლაზერით გამოწვეული თერმული დნობის რეგიონის სიღრმე 227 მკმ-მდე აღწევს. ეს მიუთითებს, რომ ამ პარამეტრებით ლაზერული შედუღების დროს, ფოკუსური პოზიციის ღერძული სიღრმე შეიძლება 227 მკმ-მდე მიაღწიოს, რაც იმავე პირობებში გაუსის ლაზერული შედუღების მაჩვენებელზე ოთხჯერ მეტია.
4. სად შეიძლება ბესელის ლინზების შეძენა?
Wavelength Opto-Electronic გთავაზობთ მაღალი ხარისხის ბესელის ლინზებს, რომლებიც გამოიყენება ლაზერული დამუშავების აპლიკაციებში. ამ ბესელის სხივის ოპტიკური სისტემის ყველაზე მიმზიდველი მახასიათებელია გამომავალი სხივის ფოკუსირების სიღრმის რეგულირება შემავალი სხივის დიამეტრის ზომის რეგულირებით.
| ნაწილის ნომერი | ტალღის სიგრძე (ნმ) | სამუშაო მანძილი (მმ) | მაქსიმალური შემავალი სხივის დიამეტრი (მმ) | ფოკუსირების სიღრმე (მმ) | საერთო სიგრძე (მმ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 10 ოქტომბერი