Metode Desain Balok Bessel

Untuk melelehkan material di kedua sisi antarmuka secara bersamaan dan membentuk ikatan mikro-wilayah berkekuatan tinggi, titik fokus laser harus difokuskan secara tepat pada sampel, yang menuntut ketelitian pemrosesan yang ketat dari sistem pengelasan. Selain itu, karena gradien intensitas aksial yang besar dari berkas Gaussian setelah pemfokusan, suhu medan fokus tidak merata, sehingga rentan terhadap pembentukan cacat rongga mikro dan nano di wilayah yang terkena laser, yang pada gilirannya memengaruhi kualitas pengelasan sampel.

Teknologi pembentukan cahaya spasial dapat digunakan untuk menghasilkan berkas Bessel orde nol guna mengoptimalkan distribusi intensitas medan fokus laser. Pendekatan ini mengurangi gradien intensitas aksial dan memperpanjang panjang fokus, sehingga meningkatkan rasio kedalaman terhadap lebar daerah efek termal yang dibentuk oleh laser. Akibatnya, hal ini mengurangi persyaratan akurasi pemfokusan sistem pengelasan laser, meningkatkan kualitas dan efisiensi pengelasan.

1. Generasi dan Desain Parameter Berkas Bessel Non-Difraksi

Pada tahun 1987, Durnin pertama kali mengusulkan berkas Bessel orde nol, yang menunjukkan sifat non-difraksi yang unik: distribusi intensitas medan cahaya transversal tetap tidak berubah selama perambatan, dan ukuran titik pusat selalu mendekati batas difraksi. Selain itu, berkas Bessel juga menunjukkan sifat penyembuhan diri selama perambatan. Ketika titik pusat terhalang, cahaya di sekitarnya akan berkumpul menuju pusat untuk "memperbaiki" titik pusat tersebut. Ekspresi matematis untuk distribusi medan cahaya transversal dari berkas Bessel orde nol adalah:

Dalam ungkapan tersebut:

• J0 mewakili fungsi Bessel orde nol.
• r dan φ masing-masing adalah elemen koordinat radial dan sudut.
• z adalah jarak perambatan.
• Kr dan Kz masing-masing adalah elemen vektor gelombang transversal dan longitudinal.

Titik pusat utama berkas Bessel orde nol memiliki kemampuan pengurungan yang kuat, memungkinkan tingkat iradiasi sekitar TW/cm² atau lebih tinggi, yang secara efektif dapat membangkitkan penyerapan nonlinier dalam material. Lebih penting lagi, karakteristik perambatan berkas Bessel orde nol yang tidak mengalami difraksi memberikan kedalaman fokus yang lebih besar dan gradien intensitas aksial yang lebih kecil, sehingga menciptakan medan suhu yang hampir seragam dan menekan pembentukan cacat pengelasan.

Gambar berikut menunjukkan perbandingan panjang fokus berkas Bessel dan berkas Gaussian di bawah kemampuan pembatasan transversal yang sama. Berkas Bessel memiliki kedalaman fokus yang cukup besar sambil mempertahankan diameter titik fokus transversal tingkat mikron.

Ada beberapa metode untuk menghasilkan berkas Bessel orde nol, dan tiga metode utama berikut ini umum digunakan:

Metode Bukaan Annular: Metode bukaan annular, seperti namanya, melibatkan penggunaan celah annular untuk menghasilkan berkas Bessel. Ini juga merupakan metode pertama yang berhasil untuk menghasilkan berkas Bessel. Diagram di bawah ini mengilustrasikan metode bukaan annular untuk menghasilkan berkas Bessel. Gelombang bidang datang tegak lurus ke celah annular dari kiri dan terjadi difraksi.

Setelah itu, lensa positif melakukan transformasi Fourier, menghasilkan pembentukan berkas Bessel di belakang lensa. Jarak propagasi non-difraksi Zmax ​berkaitan dengan diameter d dari celah annular dan apertur numerik lensa.

Meskipun metode ini dapat menghasilkan berkas Bessel orde nol, efisiensi konversi energinya sangat rendah, sehingga sulit diterapkan di bidang pemrosesan laser.

Metode Modulator Cahaya Spasial: Proses pembangkitan berkas Bessel orde nol pada dasarnya adalah proses pengubahan distribusi fase berkas. Oleh karena itu, berkas Bessel orde nol juga dapat dihasilkan menggunakan modulator cahaya spasial. Modulator cahaya spasial adalah jenis perangkat modulasi optoelektronik yang mengontrol intensitas dan distribusi fase medan cahaya melalui sinyal listrik. Berkas Bessel orde nol dapat dihasilkan dengan menerapkan fase lensa kerucut, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, ke panel kerja modulator cahaya spasial.

Metode Axicon: Axicon adalah salah satu elemen difraksi pasif berbasis kaca yang paling umum digunakan untuk menghasilkan berkas Bessel. Ketika berkas Gaussian datang tegak lurus dan melewati axicon, distribusi fasenya dimodulasi, mengubahnya menjadi berkas Bessel orde nol tanpa kehilangan energi, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Karena biaya yang rendah, kemudahan penggunaan, dan ambang batas kerusakan laser yang tinggi dari axicon kaca, serta efisiensi pemanfaatan energinya yang sangat tinggi, axicon merupakan pilihan utama untuk menghasilkan berkas Bessel pulsa ultra pendek di bidang pemrosesan laser. Gambar di bawah menunjukkan skema penyempitan dan transmisi berkas Bessel orde nol. Dengan menyesuaikan perbesaran dan orientasi sistem pencitraan 4f, jarak propagasi non-difraksi, sudut setengah kerucut, dan sudut kemiringan dalam arah propagasi berkas Bessel dapat dengan mudah dikontrol.

Ketika berkas Bessel orde nol dengan sudut setengah kerucut Ɵ1 dan jarak propagasi bebas difraksi Zmax melewati sistem 4f yang terdiri dari lensa (L1) dan lensa objektif (L2), dimensi geometrisnya akan semakin terkompresi. Perbesaran lateral kira-kira M=f1/f2=5, dan perbesaran longitudinal kira-kira M2=25. Dengan demikian, pencitraan akhir berkas Bessel orde nol di dalam sampel dapat diwakili oleh parameter geometris:

Parameter geometris berkas Bessel yang diproyeksikan ke dalam sampel kaca kuarsa pada sudut kerucut dan perbesaran kompresi berkas yang berbeda.

Distribusi intensitas medan fokus berkas Bessel

• r dan z: Komponen koordinat radial dan aksial, masing-masing.
• λ: Panjang gelombang pusat laser.
• w: 1/e² jari-jari berkas Gaussian yang datang.
• P0: Daya puncak laser pulsa ultrasingkat.
• β1: Sudut setengah kerucut berkas Bessel setelah kompresi berkas.
• k: Vektor gelombang.
• J0: Fungsi Bessel orde nol.

Distribusi intensitas berkas Bessel orde nol di dalam kaca kuarsa: Di sebelah kiri adalah distribusi kerapatan daya optik sepanjang arah perambatan dan tampilan penampang, dan di sebelah kanan adalah distribusi kerapatan daya optik sepanjang sumbu dan tampilan penampang.

2. Karakteristik Berkas Bessel Pulsa Femtosekon dalam Kaca Silika Fusi

Gambar (a) menunjukkan mikrograf interaksi antara berkas Bessel pulsa femtosekon dan kaca silika leburan pada energi pulsa yang berbeda. Lebar pulsa laser ditetapkan pada 220 fs, dan sudut setengah kerucut berkas Bessel di dalam sampel adalah 12,4°. Dapat diamati bahwa daerah yang dipengaruhi laser menunjukkan struktur linier satu dimensi yang khas. Ketika energi pulsa laser kurang dari 9,5 μJ, indeks bias material di daerah fokus meningkat, tampak sebagai daerah hitam pada mikrograf.

Ketika energi pulsa laser melebihi 9,5 μJ, indeks bias material di daerah fokus menurun, tampak sebagai daerah putih pada mikrograf, dan panjang daerah putih tersebut meningkat seiring dengan peningkatan energi pulsa. Dengan memoles sampel, kami mengamati karakteristik morfologi daerah putih pada energi pulsa 15,4 μJ di bawah mikroskop elektron pemindai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (b). Dapat disimpulkan bahwa nanopori dengan diameter sekitar 200 nm terbentuk di daerah dengan indeks bias yang berkurang.

Melalui etsa berkas ion dan sistem pengamatan mikroskop elektron pemindaian in-situ, kami selanjutnya mengkonfirmasi keberadaan nanopori (Gambar c). Oleh karena itu, untuk meminimalkan timbulnya cacat akibat laser, energi pulsa tunggal tidak boleh melebihi 9,5 μJ selama pengelasan laser.

3. Mencapai Pengelasan Mikro Berkualitas Tinggi Antara Kaca Silika Fusi menggunakan Laser Pulsa Ultrasingkat Bessel.

Gambar (a) menunjukkan mikrograf tampak atas dari permukaan pengelasan sampel. Terlihat bahwa garis las laser seragam dan halus. Meskipun masih ada beberapa cacat mikropori yang tersebar secara acak di area pengelasan, secara keseluruhan, hasilnya jauh lebih baik daripada garis las laser Gaussian. Pengukuran menunjukkan bahwa lebar garis las sekitar 18 μm, dan jarak antar garis las adalah 40 μm. Gambar (b) menunjukkan mikrograf tampak samping dari garis las sampel.

Terlihat bahwa celah antara sampel benar-benar hilang setelah pemrosesan laser, dan material di dekat antarmuka telah menyatu menjadi satu kesatuan setelah mengalami proses peleburan-pendinginan termal. Pengukuran menunjukkan bahwa kedalaman daerah peleburan termal yang diinduksi laser mencapai hingga 227 μm. Ini menunjukkan bahwa selama pengelasan laser dengan parameter ini, kedalaman aksial posisi fokus dapat mencapai hingga 227 μm, yang empat kali lipat dari pengelasan laser Gaussian dalam kondisi yang sama.

4. Di mana membeli lensa Bessel?

Wavelength Opto-Electronic menawarkan lensa Bessel berkualitas tinggi yang digunakan dalam aplikasi pemrosesan laser. Kemampuan untuk mengatur kedalaman fokus berkas keluaran dengan menyesuaikan ukuran diameter berkas masukan adalah fitur paling menarik dari sistem optik berkas Bessel ini.