Беттин эки тарабындагы материалдарды бир эле учурда эритип, жогорку бекемдиктеги микроаймактык байланышты түзүү үчүн, лазердин фокустук чекити үлгүгө так багытталышы керек, бул ширетүү системасынын иштетүү тактыгына катуу талаптарды коет. Мындан тышкары, фокустоодон кийин Гаусс нурунун чоң октук интенсивдүүлүк градиентинен улам, фокустук талаанын температурасы бирдей эмес, бул лазердин таасири тийген аймакта микро жана нано боштуктардын пайда болушуна алып келет, бул өз кезегинде үлгүнүн ширетүү сапатына таасир этет.
Мейкиндик жарыкты калыптандыруу технологиясын лазердин фокустук талаасынын интенсивдүүлүгүнүн бөлүштүрүлүшүн оптималдаштыруу үчүн нөлдүк тартиптеги Бессель нурларын түзүү үчүн колдонсо болот. Бул ыкма октук интенсивдүүлүк градиентин азайтат жана фокустук аралыкты кеңейтет, ошону менен лазер тарабынан түзүлгөн жылуулук эффектинин аймагынын тереңдиктен туурасына болгон катышын жогорулатат. Натыйжада, ал лазердик ширетүү системасынын фокустоо тактыгына болгон талаптарды азайтып, ширетүүнүн сапатын жана натыйжалуулугун жогорулатат.
1. Дифракцияланбаган Бессель нурларын генерациялоо жана параметрлерди долбоорлоо
1987-жылы Дурнин биринчи жолу нөлдүк тартиптеги Бессель нурун сунуштаган, ал уникалдуу дифракцияланбаган касиеттерди көрсөтөт: анын туурасынан кеткен жарык талаасынын интенсивдүүлүгүнүн таралышы таралуу учурунда өзгөрүүсүз калат жана борбордук тактын өлчөмү ар дайым дифракция чегине жакын болот. Мындан тышкары, Бессель нурлары таралуу учурунда өзүн-өзү калыбына келтирүүчү касиетти да көрсөтөт. Борбордук так тосулганда, айланадагы жарык борборду "калыбына келтирүү" үчүн борборго карай чогулат. Нөлдүк тартиптеги Бессель нурунун туурасынан кеткен жарык талаасынын таралышынын математикалык туюнтмасы:
Төмөнкү туюнтмада:
- J0 нөлдүк тартиптеги Бессель функциясын билдирет.
- r жана φ тиешелүүлүгүнө жараша радиалдык жана бурчтук координата элементтери болуп саналат.
- z - таралуу аралыгы.
- Kr жана Kz тиешелүүлүгүнө жараша туурасынан кеткен жана узунунан кеткен толкун векторунун элементтери болуп саналат.
Нөлдүк тартиптеги Бессель нурунун борбордук негизги чекити күчтүү кармоо мүмкүнчүлүгүнө ээ, бул TW/см² же андан жогору деңгээлдеги нурлануунун деңгээлин камсыз кылат, бул материалдарда сызыктуу эмес сиңүүнү натыйжалуу козгой алат. Андан да маанилүүсү, нөлдүк тартиптеги Бессель нурларынын дифракцияланбаган таралуу мүнөздөмөсү фокустун чоңураак тереңдигин жана октук интенсивдүүлүк градиентинин кичирээк болушун камсыз кылат, ошону менен дээрлик бирдей температура талаасын түзөт жана ширетүү кемчиликтеринин пайда болушун басат.
Төмөнкү сүрөттө Бессель нурларынын жана Гаусс нурларынын фокустук аралыгын бирдей көлденең чектөө мүмкүнчүлүгүндө салыштыруу көрсөтүлгөн. Бессель нурлары көлденең микрон деңгээлиндеги фокустук чекиттин диаметрин сактоо менен фокустун олуттуу тереңдигине ээ.
Нөлдүк тартиптеги Бессель нурларын түзүүнүн бир нече ыкмалары бар жана төмөнкү үч негизги ыкма кеңири таралган:
Шакекче сымал апертура ыкмасы: Аты айтып тургандай, шакекче сымал апертура ыкмасы Бессель нурларын алуу үчүн шакекче сымал жараканы колдонууну камтыйт. Бул ошондой эле Бессель нурларын алуунун биринчи ийгиликтүү ыкмасы болгон. Төмөндөгү диаграммада Бессель нурларын алуунун шакекче сымал апертура ыкмасы көрсөтүлгөн. Тегиз толкун шакекче сымал жаракага сол жактан перпендикулярдуу түшөт жана дифракция пайда болот.
Андан кийин, оң линза Фурье өзгөртүүсүн аткарат, натыйжада линзанын артында Бессель нуру пайда болот. Дифракцияланбаган таралуу аралыгы Zmax шакекче сымал жараканын диаметри d жана линзанын сандык диафрагмасы менен байланыштуу.
Бул ыкма нөлдүк тартиптеги Бессель нурларын түзө алганы менен, энергияны айландыруу эффективдүүлүгү өтө төмөн, бул лазердик иштетүү тармактарында колдонууну кыйындатат.
Мейкиндик жарык модуляторунун ыкмасы: Нөлдүк тартиптеги Бессель нурун генерациялоо процесси, негизинен, нурдун фазалык бөлүштүрүлүшүн өзгөртүү процесси болуп саналат. Ошондуктан, нөлдүк тартиптеги Бессель нурун мейкиндик жарык модуляторун колдонуу менен да генерациялоого болот. Мейкиндик жарык модулятору - бул жарык талаасынын интенсивдүүлүгүн жана электр сигналдары аркылуу фазалык бөлүштүрүүнү башкарган оптоэлектрондук модуляция түзмөгүнүн бир түрү. Нөлдүк тартиптеги Бессель нурун төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, конус линзасынын фазасын мейкиндик жарык модуляторунун жумушчу панелине колдонуу менен генерациялоого болот.
Аксикон ыкмасы: Аксикон - Бессель нурларын түзүү үчүн эң көп колдонулган пассивдүү айнек негизиндеги дифракциялык элементтердин бири. Гаусс нуру аксиконго кадимкидей түшүп, ал аркылуу өткөндө, анын фазалык бөлүштүрүлүшү модуляцияланат, бул төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, энергия жоготуусуз нөлдүк тартиптеги Бессель нуруна айланат.
Айнек аксикондорунун арзан баасы, колдонуунун оңойлугу жана лазердик зыяндын жогорку босогосу, ошондой эле алардын өзгөчө жогорку энергияны пайдалануу натыйжалуулугунан улам, аксикондор лазердик иштетүү жаатында ультра кыска импульстуу Бессель нурларын түзүү үчүн негизги тандоо болуп саналат. Төмөндөгү сүрөттө нөлдүк тартиптеги Бессель нурунун нурунун тарышы жана өткөрүлүшүнүн схемасы көрсөтүлгөн. 4f сүрөт системасынын чоңойтуусун жана багытын тууралоо менен, Бессель нурунун таралуу багытындагы дифракциялык эмес таралуу аралыгын, жарым конустун бурчун жана эңкейүү бурчун оңой башкарууга болот.
Жарым конустун бурчу Ɵ1 жана дифракциясыз таралуу аралыгы Zmax болгон нөлдүк тартиптеги Бессель нуру линзадан (L1) жана объективдүү линзадан (L2) турган 4f системасынан өткөндө, геометриялык өлчөмдөр андан ары кысылат. Капталдан чоңойтуу болжол менен M=f1/f2=5, ал эми узунунан чоңойтуу болжол менен M2=25 түзөт. Ошентип, үлгүнүн ичиндеги нөлдүк тартиптеги Бессель нурунун акыркы сүрөтүн геометриялык параметрлер менен көрсөтүүгө болот:
Кварц айнек үлгүсүнүн ичинде ар кандай конус бурчтары жана нурдун кысуу чоңойтуулары астында сүрөткө тартылган Бессель нурунун геометриялык параметрлери.
| октук чоку бурчу α (°) | Киргизүү нурунун радиусу d(мм) | (мм) | 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-жыл | 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-жыл | 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 |
Бессель нурунун фокус талаасынын интенсивдүүлүгүнүн бөлүштүрүлүшү
- r жана z: тиешелүүлүгүнө жараша радиалдык жана октук координата компоненттери.
- λ: Лазердин борбордук толкун узундугу.
- w: түшкөн Гаусс нурунун 1/e² радиусу.
- P0: Өтө кыска импульстук лазердин эң жогорку кубаттуулугу.
- β1: Бессель нурунун нур кысылгандан кийинки жарым конус бурчу.
- k: Толкун вектору.
- J0: Нөлдүк тартиптеги Бессель функциясы.
Кварц айнегинин ичиндеги нөлдүк тартиптеги Бессель нурунун интенсивдүүлүгүнүн бөлүштүрүлүшү: Сол жакта оптикалык кубаттуулуктун тыгыздыгынын таралуу багыты боюнча бөлүштүрүлүшү жана кесилиш көрүнүшү, ал эми оң жакта оптикалык кубаттуулуктун тыгыздыгынын ок боюнча бөлүштүрүлүшү жана кесилиш көрүнүшү жайгашкан.
2. Эритилген кремний айнегиндеги фемтосекунддук импульстук бессель шоолунун мүнөздөмөлөрү
(а)-сүрөттө фемтосекунддук импульстук Бессель нурлары менен эритилген кремний диоксиди айнегинин ар кандай импульстук энергиялардагы өз ара аракеттенүүсүнүн микрографиялык сүрөттөрү көрсөтүлгөн. Лазер импульсунун туурасы 220 фс те бекитилген, ал эми үлгүнүн ичиндеги Бессель нурунун жарым конус бурчу 12,4° түзөт. Лазер таасир эткен аймак типтүү бир өлчөмдүү сызыктуу түзүлүштү көрсөтөөрүн байкаса болот. Лазер импульсунун энергиясы 9,5 мкДжден аз болгондо, фокалдык аймактагы материалдын сынуу көрсөткүчү жогорулайт, микрографияда кара аймак катары көрүнөт.
Лазердин импульстук энергиясы 9,5 мкДж ашканда, фокалдык аймактагы материалдын сынуу көрсөткүчү төмөндөйт, микрографта ак аймак катары көрүнөт жана импульстук энергиянын жогорулашы менен ак аймактын узундугу көбөйөт. Үлгүнү жылтыратуу менен, биз сканерлөөчү электрондук микроскоптун астында 15,4 мкДж импульстук энергияда ак аймактын морфологиялык мүнөздөмөлөрүн байкадык, бул (b) сүрөттө көрсөтүлгөн. Сынуу көрсөткүчү төмөндөгөн аймакта диаметри болжол менен 200 нм болгон нанотешик пайда болот деген тыянак чыгарууга болот.
Иондук нур менен оюу жана in-situ сканерлөөчү электрондук микроскоптук байкоо системалары аркылуу биз нанотешикчелердин бар экендигин дагы бир жолу тастыктадык (с-сүрөт). Ошондуктан, лазердин таасири астында пайда болгон кемчиликтердин пайда болушун минималдаштыруу үчүн, лазердик ширетүү учурунда бир импульстук энергия 9,5 мкДж ашпашы керек.
3. Bessel Ultrashort импульстук лазерин колдонуп, эритилген кремний айнектеринин ортосунда жогорку сапаттагы микроширетүүгө жетишүү.
(а) сүрөттө үлгүнүн ширетүүчү бетинин үстүнкү микрографиясы көрсөтүлгөн. Лазердик ширетүү сызыгы бирдей жана жылмакай экенин көрүүгө болот. Ширетилген аймакта дагы эле бир нече туш келди бөлүштүрүлгөн микротешикчелүү кемчиликтер бар болсо да, жалпысынан алганда, ал Гаусс лазердик ширетүү сызыгына караганда бир топ жакшы. Өлчөөлөр ширетүү сызыгынын туурасы болжол менен 18 мкм, ал эми ширетүү сызыктарынын ортосундагы аралык 40 мкм экенин көрсөтүп турат. (б) сүрөттө үлгүнүн ширетүү сызыгынын капталдан көрүнгөн микрографиясы көрсөтүлгөн.
Лазердик иштетүүдөн кийин үлгүлөрдүн ортосундагы боштук толугу менен жоголуп, интерфейстин жанындагы материал термикалык эрүү-муздатуу процессинен өткөндөн кийин бир бүтүндүккө айланганын көрүүгө болот. Өлчөөлөр лазердин таасири менен пайда болгон термикалык эрүү аймагынын тереңдиги 227 мкмге чейин жете тургандыгын көрсөтүп турат. Бул ушул параметрлер менен лазердик ширетүү учурунда фокустук позициянын октук тереңдиги 227 мкмге чейин жетиши мүмкүн экенин көрсөтүп турат, бул ошол эле шарттарда Гаусс лазердик ширетүүгө караганда төрт эсе көп.
4. Бессел линзаларын кайдан сатып алса болот?
Wavelength Opto-Electronic лазердик иштетүү колдонмолорунда колдонулган жогорку сапаттагы Bessel линзаларын сунуштайт. Кирүүчү нурдун диаметринин өлчөмүн тууралоо аркылуу чыгуучу нурдун фокусунун тереңдигинин туураланышы бул Bessel нурунун оптикалык системасынын эң жагымдуу өзгөчөлүгү болуп саналат.
| Бөлүктүн номери | Толкун узундугу (нм) | Иштөө аралыгы (мм) | Максималдуу киргизүү нурунун диаметри (мм) | Фокустун иштелип чыккан тереңдиги (мм) | Жалпы узундугу (мм) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 10-октябры