Bessel Kiriş Tasarım Yöntemleri

Arayüzün her iki tarafındaki malzemeleri aynı anda eritmek ve yüksek mukavemetli mikro bölge bağı oluşturmak için, lazer odak noktasının numuneye hassas bir şekilde odaklanması gerekir; bu da kaynak sisteminin işlem doğruluğuna katı talepler getirir. Ek olarak, odaklamadan sonra Gauss ışınının büyük eksenel yoğunluk gradyanı nedeniyle, odak alanı sıcaklığı düzensizdir ve bu da lazerden etkilenen bölgede mikro ve nano boşluk kusurlarının oluşmasına yol açarak numunenin kaynak kalitesini etkiler.

Uzamsal ışık şekillendirme teknolojisi, lazer odak alanının yoğunluk dağılımını optimize etmek için sıfırıncı dereceden Bessel ışınları oluşturmak amacıyla kullanılabilir. Bu yaklaşım, eksenel yoğunluk gradyanını azaltır ve odak uzunluğunu uzatarak lazer tarafından oluşturulan termal etki bölgesinin derinlik-genişlik oranını artırır. Sonuç olarak, lazer kaynak sisteminin odaklama hassasiyeti gereksinimlerini azaltarak hem kaynak kalitesini hem de verimliliğini iyileştirir.

1. Kırınımsız Bessel Işınlarının Üretimi ve Parametre Tasarımı

1987'de Durnin, benzersiz kırınımsız özellikler gösteren sıfırıncı dereceden Bessel ışınını ilk kez önerdi: enine ışık alanı yoğunluk dağılımı yayılma sırasında değişmeden kalır ve merkezdeki noktanın boyutu her zaman kırınım sınırına yakındır. Ek olarak, Bessel ışınları yayılma sırasında kendi kendini onarma özelliğine de sahiptir. Merkezdeki nokta engellendiğinde, çevredeki ışık merkeze doğru yakınlaşarak merkezdeki noktayı "onarır". Sıfırıncı dereceden Bessel ışınının enine ışık alanı dağılımının matematiksel ifadesi şöyledir:

İfadede:

• J0, sıfırıncı dereceden Bessel fonksiyonunu temsil eder.
• r ve φ sırasıyla radyal ve açısal koordinat elemanlarıdır.
• z, yayılma mesafesidir.
• Kr ve Kz sırasıyla enine ve boyuna dalga vektörü elemanlarıdır.

Sıfırıncı dereceden Bessel ışınlarının merkezî ana noktası, güçlü bir sınırlama yeteneğine sahiptir ve bu da TW/cm² veya daha yüksek mertebede ışınlama seviyelerine olanak tanıyarak malzemelerde doğrusal olmayan soğurmayı etkili bir şekilde uyarabilir. Daha da önemlisi, sıfırıncı dereceden Bessel ışınlarının kırınımsız yayılma özelliği, daha büyük bir odak derinliği ve daha küçük bir eksenel yoğunluk gradyanı sağlayarak neredeyse homojen bir sıcaklık alanı oluşturur ve kaynak kusurlarının oluşumunu bastırır.

Aşağıdaki şekil, aynı enine sınırlama yeteneği altında Bessel ışınlarının ve Gauss ışınlarının odak uzunluklarının karşılaştırmasını göstermektedir. Bessel ışınları, enine mikron seviyesinde odak noktası çapını korurken önemli bir odak derinliğine sahiptir.

Sıfırıncı dereceden Bessel ışınları üretmenin çeşitli yöntemleri vardır ve aşağıdaki üç ana yöntem yaygındır:

Halkasal Açıklık Yöntemi: Adından da anlaşılacağı gibi, halkasal açıklık yöntemi, Bessel ışınları üretmek için halka şeklinde bir yarık kullanmayı içerir. Bu aynı zamanda Bessel ışınları üretmek için ilk başarılı yöntemdi. Aşağıdaki diyagram, Bessel ışınları üretmek için halkasal açıklık yöntemini göstermektedir. Düzlem dalga, soldan halkasal yarığa dik olarak gelir ve kırınım meydana gelir.

Daha sonra, pozitif bir mercek Fourier dönüşümü gerçekleştirir ve bu da merceğin arkasında bir Bessel ışınının oluşmasına neden olur. Kırınımsız yayılma mesafesi Zmax, halka şeklindeki yarığın çapı d ve merceğin sayısal açıklığı ile ilişkilidir.

Bu yöntem sıfırıncı dereceden Bessel ışınları üretebilse de, enerji dönüşüm verimliliği son derece düşüktür ve bu da lazer işleme alanlarında uygulanmasını zorlaştırmaktadır.

Uzamsal Işık Modülatörü Yöntemi: Sıfırıncı dereceden Bessel ışınının oluşturulma süreci, esasen ışının faz dağılımının değiştirilmesi işlemidir. Bu nedenle, sıfırıncı dereceden Bessel ışını, uzamsal ışık modülatörü kullanılarak da oluşturulabilir. Uzamsal ışık modülatörü, elektrik sinyalleri aracılığıyla ışık alanının yoğunluğunu ve faz dağılımını kontrol eden bir tür optoelektronik modülasyon cihazıdır. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, konik mercek fazı uzamsal ışık modülatörünün çalışma paneline uygulanarak sıfırıncı dereceden Bessel ışını oluşturulabilir.

Aksikon yöntemi: Aksikon, Bessel ışınları üretmek için en yaygın kullanılan pasif cam tabanlı kırınım elemanlarından biridir. Bir Gauss ışını aksikona dik olarak çarptığında ve içinden geçtiğinde, faz dağılımı modüle edilir ve aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi herhangi bir enerji kaybı olmadan sıfırıncı dereceden bir Bessel ışınına dönüşür.

Cam aksikonların düşük maliyeti, kullanım kolaylığı ve yüksek lazer hasar eşiğinin yanı sıra olağanüstü yüksek enerji kullanım verimliliği nedeniyle, aksikonlar lazer işleme alanında ultra kısa darbeli Bessel ışınları üretmek için birincil tercihtir. Aşağıdaki şekil, sıfırıncı dereceden bir Bessel ışınının daralması ve iletiminin şematik gösterimini vermektedir. 4f görüntüleme sisteminin büyütme ve yönlendirmesi ayarlanarak, Bessel ışınının yayılma yönündeki kırınımsız yayılma mesafesi, yarım koni açısı ve eğim açısı kolayca kontrol edilebilir.

Yarı koni açısı Ɵ1 ve kırınım içermeyen yayılma mesafesi Zmax olan sıfırıncı dereceden bir Bessel ışını, bir mercek (L1) ve bir objektif mercekten (L2) oluşan 4f sisteminden geçtiğinde, geometrik boyutlar daha da sıkıştırılır. Yanal büyütme yaklaşık olarak M=f1/f2=5, boylamsal büyütme ise yaklaşık olarak M2=25'tir. Bu nedenle, numune içindeki sıfırıncı dereceden Bessel ışınının nihai görüntüsü, geometrik parametrelerle temsil edilebilir:

Farklı koni açıları ve ışın sıkıştırma büyütmeleri altında kuvars cam numunesi içinde görüntülenen Bessel ışınının geometrik parametreleri.

Bessel ışınının odak alanı yoğunluk dağılımı

• r ve z: Sırasıyla radyal ve eksenel koordinat bileşenleri.
• λ: Lazerin merkez dalga boyu.
• w: Gelen Gauss ışınının 1/e² yarıçapı.
• P0: Ultra kısa darbeli lazerin tepe gücü.
• β1: Işın sıkıştırmasından sonra Bessel ışınının yarım koni açısı.
• k: Dalga vektörü.
• J0: Sıfırıncı dereceden Bessel fonksiyonu.

Kuvars cam içindeki sıfırıncı dereceden Bessel ışınının yoğunluk dağılımı: Solda, yayılma yönü boyunca optik güç yoğunluğu dağılımı ve kesit görünümü, sağda ise eksen boyunca optik güç yoğunluğu dağılımı ve kesit görünümü yer almaktadır.

2. Erimiş Silika Camda Femtosaniye Darbeli Bessel Işın Demetinin Özellikleri

Şekil (a), farklı darbe enerjilerinde femtosaniye darbeli Bessel ışınları ile kaynaşmış silika camı arasındaki etkileşimin mikrograflarını göstermektedir. Lazer darbe genişliği 220 fs'de sabitlenmiş olup, numune içindeki Bessel ışınının yarı koni açısı 12,4°'dir. Lazerden etkilenen bölgenin tipik bir tek boyutlu doğrusal yapı sergilediği gözlemlenebilir. Lazer darbe enerjisi 9,5 μJ'den az olduğunda, odak bölgesindeki malzemenin kırılma indisi artar ve mikrografta siyah bir bölge olarak görünür.

Lazer darbe enerjisi 9,5 μJ'yi aştığında, odak bölgesindeki malzemenin kırılma indisi azalır ve mikrografta beyaz bir bölge olarak görünür; beyaz bölgenin uzunluğu ise darbe enerjisi arttıkça artar. Numuneyi parlatarak, Şekil (b)'de gösterildiği gibi, 15,4 μJ darbe enerjisinde beyaz bölgenin morfolojik özelliklerini taramalı elektron mikroskobu altında gözlemledik. Azalmış kırılma indisine sahip bölgede yaklaşık 200 nm çapında bir nanopor oluştuğu sonucuna varılabilir.

İyon ışınlı aşındırma ve yerinde taramalı elektron mikroskobu gözlem sistemleri aracılığıyla nanoporun varlığını daha da doğruladık (Şekil c). Bu nedenle, lazer kaynaklı kusurların oluşumunu en aza indirmek için, lazer kaynağı sırasında tek darbe enerjisi 9,5 μJ'yi aşmamalıdır.

3. Bessel Ultra Kısa Darbeli Lazer Kullanarak Kaynaştırılmış Silika Camlar Arasında Yüksek Kaliteli Mikro Kaynak Elde Etme.

Şekil (a), numunenin kaynak yüzeyinin üstten görünüm mikrografını göstermektedir. Lazer kaynak çizgisinin düzgün ve pürüzsüz olduğu görülebilir. Kaynaklı alanda rastgele dağılmış birkaç mikro gözenek kusuru olmasına rağmen, genel olarak Gauss lazer kaynak çizgisinden önemli ölçüde daha iyidir. Ölçümler, kaynak çizgisi genişliğinin yaklaşık 18 μm ve kaynak çizgileri arasındaki mesafenin 40 μm olduğunu göstermektedir. Şekil (b), numunenin kaynak çizgisinin yandan görünüm mikrografını göstermektedir.

Lazer işleminden sonra numuneler arasındaki boşluğun tamamen kaybolduğu ve arayüz yakınındaki malzemenin termal erime-soğuma işleminden sonra tek bir varlık haline geldiği görülmektedir. Ölçümler, lazerle indüklenen termal erime bölgesinin derinliğinin 227 μm'ye kadar ulaştığını ortaya koymaktadır. Bu, bu parametrelerle lazer kaynağı sırasında odak noktasının eksenel derinliğinin 227 μm'ye kadar ulaşabileceğini, bunun da aynı koşullar altında Gauss lazer kaynağının dört katı olduğunu göstermektedir.

4. Bessel Lensleri Nereden Alabilirim?

Wavelength Opto-Electronic, lazer işleme uygulamalarında kullanılan yüksek kaliteli Bessel lensleri sunmaktadır. Bu Bessel ışın optik sisteminin en çekici özelliği, giriş ışın çapının boyutunu ayarlayarak çıkış ışınının odak derinliğinin ayarlanabilmesidir.