Rêbazên Sêwirana Tîrêjên Bessel

Ji bo ku materyalên li her du aliyên rûberê bi hev re werin helandin û girêdanek mîkro-herêmek bi hêz bilind were avakirin, divê xala fokusê ya lazerê bi awayekî rast li ser nimûneyê were fokuskirin, ku ev yek daxwazên dijwar li ser rastbûna pêvajoyê ya pergala kaynakirinê ferz dike. Wekî din, ji ber gradyana şîdeta mezin a eksenî ya tîrêjê Gaussî piştî fokuskirinê, germahiya qada fokusê ne yekreng e, ku ew meyla çêbûna kêmasiyên mîkro- û nano-valahî di herêma ku ji lazerê bandor bûye de dike, ku ev jî bandorê li kalîteya kaynakirinê ya nimûneyê dike.

Teknolojiya şekildana ronahiya fezayî dikare ji bo çêkirina tîrêjên Bessel ên sifir-rêzimanî were bikar anîn da ku belavbûna şîddeta qada fokal a lazerê baştir bike. Ev rêbaz gradyana şîddeta eksenî kêm dike û dirêjahiya fokalê dirêj dike, bi vî rengî rêjeya kûrahî-firehiyê ya herêma bandora germî ya ku ji hêla lazerê ve hatî çêkirin zêde dike. Di encamê de, ew hewcedariyên rastbûna fokuskirinê yên pergala kaynakirina lazerê kêm dike, hem kalîteya kaynakirinê û hem jî karîgeriyê baştir dike.

1. Çêkirin û Sêwirana Parametreyê ya Tîrêjên Bessel ên Ne-Diffraksiyoner

Di sala 1987an de, Durnin cara yekem tîrêjê Bessel ê sifir-pile pêşniyar kir, ku taybetmendiyên bêhempa yên ne-difraksiyonê nîşan dide: belavbûna şîdeta qada ronahiya transversal a wê di dema belavbûnê de bêguher dimîne, û mezinahiya xala navendî her gav nêzîkî sînorê difraksiyonê ye. Wekî din, tîrêjên Bessel di dema belavbûnê de taybetmendiyek xwe-saxkirinê jî nîşan didin. Dema ku xala navendî asteng dibe, ronahiya derdorê dê ber bi navendê ve bicive da ku xala navendî "tamîr bike". Îfadeya matematîkî ji bo belavbûna qada ronahiya transversal a tîrêjek Bessel a sifir-pile ev e:

Di îfadeyê de:

• J0 fonksiyona Bessel a sifir-rêz temsîl dike.
• r û φ bi rêzê ve elementên koordînatên radyal û goşeyî ne.
• z dûrahiya belavbûnê ye.
• Kr û Kz bi rêzê ve hêmanên vektoriya pêlê yên transversal û longitudinal in.

Xala sereke ya navendî ya tîrêjek Bessel a sifir-pile xwedî şiyana dorpêçkirinê ya bihêz e, ku rê dide astên tîrêjê yên bi rêza TW/cm² an jî bilindtir, ku dikare bi bandor vegirtina ne-xêzik di materyalan de teşwîq bike. Ya girîngtir, taybetmendiya belavbûna ne-diffraksiyonê ya tîrêjên Bessel ên sifir-pile kûrahiyek mezintir a fokusê û gradyanek şîdeta eksenî ya piçûktir peyda dike, bi vî rengî zeviyek germahiyê ya hema hema yekreng diafirîne û çêbûna kêmasiyên weldingê tepeser dike.

Wêneya jêrîn berawirdkirina dirêjahiya fokusê ya tîrêjên Bessel û tîrêjên Gaussian di bin heman kapasîteya dorpêçkirina transversal de nîşan dide. Tîrêjên Bessel xwedî kûrahiyek berbiçav a fokusê ne di heman demê de ku pîvana xala fokusê ya asta mîkronê ya transversal diparêzin.

Ji bo çêkirina tîrêjên Bessel ên sifir-rêz çend rêbaz hene, û sê rêbazên sereke yên jêrîn hevpar in:

Rêbaza Vekirina Halqeyî: Rêbaza vekirina halqeyî, wekî ku ji navê wê jî diyar e, karanîna qulikek halqeyî ji bo hilberandina tîrêjên Bessel vedihewîne. Ev di heman demê de yekem rêbaza serketî bû ji bo çêkirina tîrêjên Bessel. Diyagrama li jêr rêbaza vekirina halqeyî ji bo hilberandina tîrêjên Bessel nîşan dide. Pêleke asoyî ji çepê ve bi awayekî perpendîkular li ser qulika halqeyî dikeve û difraksiyon çêdibe.

Piştre, lenzeke erênî veguherîneke Fourier pêk tîne, ku di encamê de tîrêjeke Bessel li pişt lenzê çêdibe. Mesafeya belavbûna ne-diffraksiyonî Zmax bi çapa d ya şikestina halqeyî û vebûna hejmarî ya lenzê ve girêdayî ye.

Her çend ev rêbaz dikare tîrêjên Bessel ên sifir-rêz çêbike jî, karîgeriya veguherîna enerjiyê pir kêm e, ku sepandina wê di warên hilberandina lazerê de dijwar dike.

Rêbaza Modulatora Ronahiya Fezayî: Pêvajoya çêkirina tîrêjek Bessel a sifir-rêzik di bingeh de pêvajoyek guhertina belavbûna qonaxa tîrêjê ye. Ji ber vê yekê, tîrêjek Bessel a sifir-rêzik jî dikare bi karanîna modulatorek ronahiya fezayî were çêkirin. Modulatorek ronahiya fezayî cureyek amûrek modûlasyonê ya optoelektronîkî ye ku şîdeta qada ronahiyê û belavbûna qonaxê bi rêya sînyalên elektrîkê kontrol dike. Tîrêjek Bessel a sifir-rêzik dikare bi sepandina qonaxa lensa konîk, wekî ku di wêneyê jêrîn de tê xuyang kirin, li ser panela xebatê ya modulatora ronahiya fezayî were çêkirin.

Rêbaza Axicon: Axicon yek ji hêmanên difraktîf ên pasîf ên li ser cama bingehîn e ku ji bo çêkirina tîrêjên Bessel tê bikar anîn. Dema ku tîrêjek Gaussian bi gelemperî li ser axiconekê dikeve û di nav wê re derbas dibe, belavkirina qonaxa wê tê modulkirin, û ew vediguherîne tîrêjek Bessel a sifir-rêz bêyî windakirina enerjiyê, wekî ku di wêneya jêrîn de tê xuyang kirin.

Ji ber lêçûna kêm, hêsaniya karanînê, û asta zirara lazerê ya bilind a aksîkonên cam, û her weha karîgeriya wan a bikaranîna enerjiyê ya pir bilind, aksîkon ji bo çêkirina tîrêjên Bessel ên pulsên ultrakurt di warê pêvajoya lazerê de hilbijartina sereke ne. Wêneya jêrîn şematîkek tengbûn û veguhestina tîrêjê ya tîrêjek Bessel a sifir-rêz nîşan dide. Bi sererastkirina mezinkirin û arasteya pergala wênekirinê ya 4f, dûrahiya belavbûna ne-difraksiyon, goşeya nîv-kon, û goşeya meylê di rêça belavbûna tîrêjê Bessel de bi hêsanî têne kontrol kirin.

Dema ku tîrêjeke Bessel a sifir-pile bi goşeyeke nîv-konî ya Ɵ1 û mesafeyeke belavbûna bê-difraksiyon a Zmax di nav pergaleke 4f ​​re derbas dibe ku ji lenzekê (L1) û lenzeke objektîfê (L2) pêk tê, pîvanên geometrîk dê bêtir werin pêçandin. Mezinbûna alî bi qasî M=f1/f2=5 e, û mezinbûna dirêj bi qasî M2=25 e. Bi vî awayî, wênekirina dawî ya tîrêjeke Bessel a sifir-pile di hundirê nimûneyê de dikare bi parametreyên geometrîk were temsîlkirin:

Parametreyên geometrîk ên tîrêjê Bessel ku di hundirê nimûneyek cama quartzê de di bin goşeyên kon û mezinkirina zexta tîrêjê yên cûda de hatiye wênekirin.

Belavbûna şîdeta qada fokusê ya tîrêjek Bessel

• r û z: Pêkhateyên hevrêzên radyal û eksîyal, bi rêzê ve.
• λ: Dirêjahiya pêla navendî ya lazerê.
• w: 1/e² nîvradyûsa tîrêjê Gaussî yê ketî.
• P0: Hêza herî bilind a lazera pulsê ya ultrakurt.
• β1: Goşeya nîv-konî ya tîrêja Bessel piştî zextkirina tîrê.
• k: Vektora pêlê.
• J0: Fonksiyona Bessel a sifir-rêz.

Belavbûna şîddeta tîrêjê Bessel ê sifir-rêz di hundirê cama quartz de: Li milê çepê belavkirina dendika hêza optîkî li ser rêça belavbûnê û dîtina xaçerêyî hene, û li milê rastê belavkirina dendika hêza optîkî li ser eksena û dîtina xaçerêyî hene.

2. Taybetmendiyên Tîrêjên Bessel ên Pulsê yên Femtoçirkeyan di Cama Silîkaya Helandî de

Wêne (a) mîkrografên têkiliya di navbera tîrêjên Bessel ên pulsên femtoçirkeyî û cama silîka ya helandî di enerjiyên pulsên cuda de nîşan dide. Firehiya pulsa lazerê li 220 fs sabît e, û goşeya nîv-konî ya tîrêjên Bessel di hundurê nimûneyê de 12.4° ye. Dikare were dîtin ku herêma ku ji lazerê bandor bûye avahiyek xêzikî ya yek-alî nîşan dide. Dema ku enerjiya pulsa lazerê ji 9.5 μJ kêmtir be, endeksa şikestinê ya materyalê di herêma fokusê de zêde dibe, di mîkrografê de wekî herêmek reş xuya dike.

Dema ku enerjiya pulsa lazerê ji 9.5 μJ derbas bibe, rêjeya şikestina materyalê di herêma fokusê de kêm dibe, di mîkrografê de wekî herêmek spî xuya dike, û dirêjahiya herêma spî bi zêdebûna enerjiya pulsê re zêde dibe. Bi cilandina nimûneyê, me taybetmendiyên morfolojîk ên herêma spî di enerjiya pulsê ya 15.4 μJ de di bin mîkroskopa elektronîkî ya skankirinê de çavdêrî kirin, wekî ku di Wêne (b) de tê xuyang kirin. Dikare were encam kirin ku nanoporek bi qûtra nêzîkî 200 nm di herêma bi rêjeya şikestina kêmkirî de çêdibe.

Bi rêya gravkirina tîrêjên îyonî û pergalên çavdêriya mîkroskopa elektronîkî ya şopandina di cîh de, me hebûna nanopore bêtir piştrast kir (Wêne c). Ji ber vê yekê, ji bo kêmkirina çêbûna kêmasiyên ji ber lazerê, divê enerjiya pulsa yekane di dema kaynakirina lazerê de ji 9.5 μJ derbas nebe.

3. Bi karanîna Lazera Pulsa Ultrakurt a Bessel, bi destxistina Mîkro-Qelmkirina Kalîteya Bilind di navbera Qedehên Silîka yên Helandî de.

Wêne (a) mîkrografeke ji jor ve ya rûyê kaynakirinê yê nimûneyê nîşan dide. Diyar e ku xeta kaynakirinê ya lazerê yekreng û nerm e. Her çend hîn jî çend kêmasiyên mîkroporên bi awayekî rasthatî di devera kaynakirinê de hebin jî, bi tevahî, ew ji xeta kaynakirinê ya lazerê ya Gaussian pir çêtir e. Pîvan nîşan didin ku firehiya xeta kaynakirinê bi qasî 18 μm e, û mesafeya di navbera xetên kaynakirinê de 40 μm e. Wêne (b) mîkrografeke ji alîkî ve ya xeta kaynakirinê ya nimûneyê nîşan dide.

Diyar dibe ku piştî pêvajoya lazerê valahiya di navbera nimûneyan de bi tevahî winda dibe, û materyalê nêzîkî rûberê piştî ku di pêvajoya helandin-sarkirina germî de derbas bûye bûye yekane. Pîvandin nîşan didin ku kûrahiya herêma helandina germî ya bi lazerê ve hatî çêkirin digihîje heta 227 μm. Ev nîşan dide ku di dema kaynakirina lazerê de bi van parametreyan, kûrahiya eksenî ya pozîsyona fokusê dikare bigihîje heta 227 μm, ku çar caran ji kaynakirina lazerê ya Gaussian di bin heman mercan de ye.

4. Lensên Bessel ji ku têne kirîn?

Opto-Electronic lensên Bessel ên bi kalîte bilind pêşkêş dike ku di sepanên hilberandina lazerê de têne bikar anîn. Mîhengkirina kûrahiya fokusê ya tîrêjê derketinê bi verastkirina mezinahiya diametera tîrêjê ketinê taybetmendiya herî balkêş a vê pergala optîkî ya tîrêjê Bessel e.