Fir d'Materialien op béide Säite vun der Grenzfläch gläichzäiteg ze schmëlzen an eng héichfest Mikroregiounsverbindung ze etabléieren, muss de Laserfokuspunkt präzis op d'Prouf fokusséiert sinn, wat héich Ufuerderungen un d'Veraarbechtungsgenauegkeet vum Schweess-System stellt. Zousätzlech ass d'Temperatur vum Fokusfeld wéinst dem groussen axialen Intensitéitsgradient vum Gauss-Stral nom Fokusséiere ongläichméisseg, wouduerch et ufälleg ass fir Mikro- a Nano-Void-Defekter an der vum Laser betraffener Regioun ze bilden, wat dann d'Schweessqualitéit vun der Prouf beaflosst.
D'Technologie fir d'Formung vu raimleche Liicht kann benotzt ginn, fir Bessel-Strahlen vun Nullter Uerdnung ze generéieren, fir d'Intensitéitsverdeelung vum Laserfokusfeld ze optimiséieren. Dësen Usaz reduzéiert den axialen Intensitéitsgradient a verlängert d'Brennwäit, wouduerch d'Déift-Breet-Verhältnis vum thermeschen Effektberäich, dee vum Laser geformt gëtt, erhéicht gëtt. Dofir gëtt d'Fokussiounsgenauegkeet vum Laserschweisssystem reduzéiert, wouduerch souwuel d'Schweissqualitéit wéi och d'Effizienz verbessert ginn.
1. D'Generatioun an den Parameterdesign vun net-diffraktéierende Bessel-Strahlen
1987 huet den Durnin fir d'éischt de Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung virgeschloen, deen eenzegaarteg net-diffraktéierend Eegeschafte weist: seng transversal Liichtfeldintensitéitsverdeelung bleift während der Ausbreedung onverännert, an d'Gréisst vum zentralen Fleck ass ëmmer no bei der Diffraktiounsgrenz. Zousätzlech weisen Bessel-Stralen och eng Selbstheilungseigenschaft während der Ausbreedung. Wann den zentralen Fleck verstoppt ass, konvergéiert dat ëmleiend Liicht Richtung Zentrum fir den zentralen Fleck ze "reparéieren". Den mathemateschen Ausdrock fir d'transversal Liichtfeldverdeelung vun engem Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung ass:
Am Ausdrock:
- J0 representéiert d'Bessel-Funktioun vun Nullter Uerdnung.
- r an φ sinn déi radial respektiv d'Wénkelkoordinatenelementer.
- z ass d'Ausbreedungsdistanz.
- Kr a Kz sinn déi transversal respektiv longitudinal Wellevektorelementer.
Den zentralen Haaptfleck vun engem Bessel-Strahl vun Nullter Uerdnung huet eng staark Aschränkungsfäegkeet, déi Bestrahlungsniveauen an der Gréisstenuerdnung vun TW/cm² oder méi héich erlaabt, wat effektiv netlinear Absorptioun a Materialien uschalte kann. Méi wichteg ass, datt déi net-diffraktéierend Ausbreedungscharakteristik vun de Bessel-Strahlen vun Nullter Uerdnung eng méi grouss Déift vum Fokus an e méi klenge axialen Intensitéitsgradient suergt, wouduerch e bal eenheetlecht Temperaturfeld entsteet an d'Bildung vu Schweessdefekter ënnerdréckt gëtt.
Déi folgend Figur weist e Verglach vun der Brennwäit vu Bessel-Strahlen a Gauss-Strahlen ënner der selwechter transversaler Aschränkungsfäegkeet. Bessel-Strahlen hunn eng beträchtlech Fokusdéift, während se gläichzäiteg en transversalen Duerchmiesser vum Brennpunkt op Mikrometerniveau behalen.
Et gëtt verschidde Methoden fir Bessel-Strahlen vun Nullter Uerdnung ze generéieren, an déi folgend dräi Haaptmethoden sinn heefeg:
Annular Aperture Method: D'Ringaperturmethod, wéi den Numm et scho seet, benotzt e ringfërmegen Schlitz fir Bessel-Strahlen ze produzéieren. Dëst war och déi éischt erfollegräich Method fir Bessel-Strahlen ze generéieren. D'Diagramm hei ënnendrënner illustréiert d'Ringaperturmethod fir Bessel-Strahlen ze generéieren. Eng Plangwell fällt senkrecht op de ringfërmegen Schlitz vun lénks an et geschitt Diffraktioun.
Duerno féiert eng positiv Lëns eng Fourier-Transformatioun duerch, wat zu der Bildung vun engem Bessel-Stral hannert der Lëns féiert. Déi net-diffraktéierend Ausbreedungsdistanz Zmax hänkt mam Duerchmiesser d vum ringfërmege Schlitz an der numerescher Apertur vun der Lëns zesummen.
Obwuel dës Method Bessel-Stralen vun Nullter Uerdnung generéiere kann, ass d'Energiekonversiounseffizienz extrem niddreg, wat se schwéier a Laserveraarbechtungsberäicher uwenden kann.
Method vum raimleche Liichtmodulator: De Generatiounsprozess vun engem Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung ass am Fong e Prozess fir d'Phasenverdeelung vum Stral z'änneren. Dofir kann e Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung och mat engem raimleche Liichtmodulator generéiert ginn. E raimleche Liichtmodulator ass eng Zort optoelektronesch Modulatiounsvorrichtung, déi d'Intensitéit an d'Phasenverdeelung vum Liichtfeld duerch elektresch Signaler kontrolléiert. E Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung kann generéiert ginn andeems d'konisch Lënsenphas, wéi an der Figur hei ënnendrënner gewisen, op den Aarbechtspanel vum raimleche Liichtmodulator ugewannt gëtt.
Axicon-Method: En Axicon ass ee vun den am meeschte verbreeten passive glasbaséierten Diffraktiounselementer fir Bessel-Strahlen ze generéieren. Wann e Gauss-Strahl normalerweis op en Axicon fällt an duerchgeet, gëtt seng Phasenverdeelung moduléiert, wouduerch en an e Bessel-Strahl vun Nullter Uerdnung ouni Energieverloscht transforméiert gëtt, wéi an der Figur hei ënnendrënner gewisen.
Wéinst de niddrege Käschten, der einfacher Benotzung an dem héije Laserschuedschwellwäert vu Glasaxikonen, souwéi hirer aussergewéinlech héijer Energienotzungseffizienz, sinn Axikonen déi primär Wiel fir ultrakuerz Puls-Bessel-Strahlen am Beräich vun der Laserveraarbechtung ze generéieren. D'Figur hei ënnendrënner weist eng schematesch Duerstellung vun der Stralverengung an der Transmissioun vun engem Bessel-Strahl vun Nullter Uerdnung. Duerch d'Upassung vun der Vergréisserung an der Orientéierung vum 4f-Bildgebungssystem kënnen d'net-diffraktiv Ausbreedungsdistanz, den Hallefkegelwénkel an den Neigungswénkel an der Ausbreedungsrichtung vum Bessel-Strahl einfach kontrolléiert ginn.
Wann e Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung mat engem Hallefkegelwénkel vun Ɵ1 an enger Diffraktiounsfräier Ausbreedungsdistanz vun Zmax duerch e 4f-System geet, dat aus enger Lëns (L1) an enger Objektivlëns (L2) besteet, ginn déi geometresch Dimensiounen weider kompriméiert. Déi lateral Vergréisserung ass ongeféier M=f1/f2=5, an déi longitudinal Vergréisserung ass ongeféier M2=25. Sou kann déi endgülteg Bildgebung vum Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung an der Prouf duerch déi geometresch Parameter duergestallt ginn:
Geometresch Parameter vum Bessel-Stral, déi an enger Quarzglasprobe ënner verschiddene Kegelwénkelen a Stralkompressiounsvergréisserungen ofgebild goufen.
| Axialspëtzwénkel α (°) | Inputstralradius d(mm) | (ähm) | 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 | 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 | 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 |
Fokusfeldintensitéitsverdeelung vun engem Bessel-Stral
- r an z: Radial respektiv axial Koordinatekomponenten.
- λ: Zentral Wellelängt vum Laser.
- w: 1/e² Radius vum afalenden Gaussesche Stral.
- P0: Spëtzeleistung vum Ultrakuerzpulslaser.
- β1: Hallefkegelwénkel vum Bessel-Stral no der Stralkompressioun.
- k: Wellevektor.
- J0: Bessel-Funktioun vun Nullter Uerdnung.
Intensitéitsverdeelung vum Bessel-Stral vun Nullter Uerdnung a Quarzglas: Lénks sinn d'Verdeelung vun der optescher Leeschtungsdicht laanscht d'Ausbreedungsrichtung an d'Querschnittsvue, a riets sinn d'Verdeelung vun der optescher Leeschtungsdicht laanscht d'Achs an d'Querschnittsvue
2. Charakteristike vum Femtosekonnenpuls-Besselstrahl a geschmolzenem Kieselglas
Figur (a) weist d'Mikrographie vun der Interaktioun tëscht Femtosekonnen-Impuls-Bessel-Strahlen a geschmolzenem Kieselglas bei verschiddenen Impulsenergien. D'Laserpulsbreet ass op 220 fs festgeluecht, an den Hallefkegelwénkel vum Bessel-Strahl an der Prouf ass 12,4°. Et kann observéiert ginn, datt déi vum Laser betraffe Regioun eng typesch eendimensional linear Struktur weist. Wann d'Laserpulsenergie manner wéi 9,5 μJ ass, klëmmt de Breechungsindex vum Material am Fokusberäich a erschéngt als eng schwaarz Regioun an der Mikrographie.
Wann d'Laserpulsenergie iwwer 9,5 μJ läit, hëlt de Breechungsindex vum Material am Fokusberäich of a gesäit als wäiss Regioun an der Mikrofotografie aus, an d'Längt vun der wäisser Regioun hëlt mat zouhuelender Pulsenergie zou. Duerch d'Poléiere vun der Prouf hu mir déi morphologesch Charakteristike vun der wäisser Regioun bei enger Pulsenergie vun 15,4 μJ ënner engem Rasterelektronemikroskop observéiert, wéi an der Figur (b) gewisen. Et kann een dovun ausgoen, datt eng Nanopore mat engem Duerchmiesser vu ronn 200 nm an der Regioun mat engem reduzéierte Breechungsindex geformt gëtt.
Duerch Ionenstrahlätzen an In-situ Rasterelektronemikroskop-Observatiounssystemer hu mir d'Präsenz vun der Nanopore weider bestätegt (Figur c). Fir d'Generatioun vu Laser-induzéierte Defekter ze minimiséieren, soll d'Eenzelpulsenergie beim Laserschweißen net méi wéi 9,5 μJ sinn.
3. Erreeche vun héichqualitativer Mikroschweißung tëscht geschmolzene Kieselerde mat Hëllef vum Bessel Ultrakurzpulslaser.
Figur (a) weist eng Mikrofoto vun der Schweessfläch vun der Prouf aus Vue. Et ass ze gesinn, datt d'Laserschweesslinn gläichméisseg a glat ass. Och wann et nach ëmmer e puer zoufälleg verdeelt Mikroporendefekter am geschweesste Beräich gëtt, ass se am Allgemengen däitlech besser wéi d'Gauss-Laserschweesslinn. Miessunge weisen, datt d'Breet vun der Schweesslinn ongeféier 18 μm ass, an den Ofstand tëscht de Schweesslinne 40 μm. Figur (b) weist eng Mikrofoto vun der Schweesslinn vun der Prouf aus Vue aus Säit.
Et ass ze gesinn, datt d'Lück tëscht de Prouwe no der Laserveraarbechtung komplett verschwënnt, an d'Material no bei der Grenzfläche zu enger eenzeger Eenheet verschmolzen ass, nodeems et dem thermesche Schmelz- a Killprozess duerchgaangen ass. Miessunge weisen, datt d'Déift vum laserinduzéierten thermesche Schmelzberäich bis zu 227 μm erreecht. Dëst weist drop hin, datt beim Laserschweißen mat dëse Parameteren d'axial Déift vun der Brennpositioun bis zu 227 μm erreeche kann, wat véiermol sou héich ass wéi beim Gauss-Laserschweißen ënner de selwechte Konditiounen.
4. Wou kann ech Bessel-Lënsen kafen?
Wavelength Opto-Electronic bitt héichqualitativ Bessel-Lënsen, déi a Laserveraarbechtungsapplikatioune benotzt ginn. D'Ajustéierbarkeet vun der Déift vum Fokus vum Ausgangsstral duerch d'Upassung vun der Gréisst vum Duerchmiesser vum Inputstral ass dat attraktivst Merkmal vun dësem Bessel-Straloptiksystem.
| Deel Nr. | Wellelängt (nm) | Aarbechtsdistanz (mm) | Max. Input-Straldurchmesser (mm) | Entworf Déift vum Fokus (mm) | Gesamtlängt (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 Auer | 20 | 12.0 | 315,05 |
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 10. Oktober 2024