روش‌های طراحی تیر بسل

برای ذوب همزمان مواد در دو طرف فصل مشترک و ایجاد پیوند میکروناحیه‌ای با استحکام بالا، نقطه کانونی لیزر باید دقیقاً روی نمونه متمرکز شود، که این امر الزامات دقیقی را بر دقت پردازش سیستم جوشکاری تحمیل می‌کند. علاوه بر این، به دلیل گرادیان شدت محوری زیاد پرتو گاوسی پس از فوکوس، دمای میدان کانونی ناهموار است و آن را مستعد تشکیل نقص‌های میکرو و نانو حفره در ناحیه تحت تأثیر لیزر می‌کند که به نوبه خود بر کیفیت جوشکاری نمونه تأثیر می‌گذارد.

فناوری شکل‌دهی فضایی نور می‌تواند برای تولید پرتوهای بسل مرتبه صفر به منظور بهینه‌سازی توزیع شدت میدان کانونی لیزر مورد استفاده قرار گیرد. این رویکرد گرادیان شدت محوری را کاهش داده و فاصله کانونی را افزایش می‌دهد و در نتیجه نسبت عمق به عرض ناحیه اثر حرارتی تشکیل شده توسط لیزر را افزایش می‌دهد. در نتیجه، الزامات دقت فوکوس سیستم جوشکاری لیزر را کاهش داده و کیفیت و کارایی جوشکاری را بهبود می‌بخشد.

۱. تولید و طراحی پارامتر پرتوهای بسل غیرپراشنده

در سال ۱۹۸۷، دورنین برای اولین بار پرتو بسل مرتبه صفر را پیشنهاد کرد که خواص منحصر به فرد غیرپراشنده را نشان می‌دهد: توزیع شدت میدان نوری عرضی آن در طول انتشار بدون تغییر باقی می‌ماند و اندازه نقطه مرکزی همیشه نزدیک به حد پراش است. علاوه بر این، پرتوهای بسل همچنین در طول انتشار خاصیت خودترمیمی را نشان می‌دهند. هنگامی که نقطه مرکزی مسدود می‌شود، نور اطراف به سمت مرکز همگرا می‌شود تا نقطه مرکزی را "ترمیم" کند. عبارت ریاضی برای توزیع میدان نوری عرضی یک پرتو بسل مرتبه صفر به صورت زیر است:

در عبارت:

• J0 نشان دهنده تابع بسل مرتبه صفر است.
• r و φ به ترتیب عناصر مختصات شعاعی و زاویه‌ای هستند.
• z فاصله انتشار است.
• Kr و Kz به ترتیب عناصر بردار موج عرضی و طولی هستند.

نقطه اصلی مرکزی یک پرتو بسل مرتبه صفر، قابلیت محصورسازی قوی دارد و امکان تابش در سطوحی از مرتبه TW/cm² یا بالاتر را فراهم می‌کند که می‌تواند به طور مؤثر جذب غیرخطی را در مواد تحریک کند. مهم‌تر از آن، ویژگی انتشار غیرپراش پرتوهای بسل مرتبه صفر، عمق کانونی بزرگتر و گرادیان شدت محوری کوچکتری را فراهم می‌کند، بنابراین یک میدان دمایی تقریباً یکنواخت ایجاد می‌کند و از تشکیل عیوب جوشکاری جلوگیری می‌کند.

شکل زیر مقایسه‌ای از فاصله کانونی پرتوهای بسل و پرتوهای گاوسی را تحت قابلیت محصورسازی عرضی یکسان نشان می‌دهد. پرتوهای بسل عمق کانونی قابل توجهی دارند در حالی که قطر نقطه کانونی عرضی در سطح میکرون را حفظ می‌کنند.

روش‌های مختلفی برای تولید تیرهای بسل مرتبه صفر وجود دارد و سه روش اصلی زیر رایج هستند:

روش روزنه حلقوی: روش روزنه حلقوی، همانطور که از نامش پیداست، شامل استفاده از یک شکاف حلقوی برای تولید پرتوهای بسل است. این روش همچنین اولین روش موفق برای تولید پرتوهای بسل بود. نمودار زیر روش روزنه حلقوی را برای تولید پرتوهای بسل نشان می‌دهد. یک موج تخت به صورت عمود بر شکاف حلقوی از سمت چپ تابیده می‌شود و پراش رخ می‌دهد.

پس از آن، یک لنز مثبت تبدیل فوریه را انجام می‌دهد که منجر به تشکیل یک پرتو بسل در پشت لنز می‌شود. فاصله انتشار غیر پراش Zmax به قطر d شکاف حلقوی و دیافراگم عددی لنز مربوط می‌شود.

اگرچه این روش می‌تواند پرتوهای بسل مرتبه صفر تولید کند، اما راندمان تبدیل انرژی بسیار پایین است و کاربرد آن را در زمینه‌های پردازش لیزری دشوار می‌کند.

روش مدولاتور نور فضایی: فرآیند تولید یک پرتو بسل مرتبه صفر اساساً فرآیندی برای تغییر توزیع فاز پرتو است. بنابراین، یک پرتو بسل مرتبه صفر نیز می‌تواند با استفاده از یک مدولاتور نور فضایی تولید شود. مدولاتور نور فضایی نوعی دستگاه مدولاسیون اپتوالکترونیکی است که شدت و توزیع فاز میدان نور را از طریق سیگنال‌های الکتریکی کنترل می‌کند. یک پرتو بسل مرتبه صفر را می‌توان با اعمال فاز لنز مخروطی، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، به پنل کاری مدولاتور نور فضایی تولید کرد.

روش اکسیکون: اکسیکون یکی از رایج‌ترین المان‌های پراش غیرفعال مبتنی بر شیشه برای تولید پرتوهای بسل است. هنگامی که یک پرتو گاوسی به طور معمول به یک اکسیکون تابیده و از آن عبور می‌کند، توزیع فاز آن مدوله می‌شود و آن را بدون هیچ گونه اتلاف انرژی به یک پرتو بسل مرتبه صفر تبدیل می‌کند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

با توجه به هزینه پایین، سهولت استفاده و آستانه آسیب بالای لیزر در اکسیکون‌های شیشه‌ای، و همچنین راندمان فوق‌العاده بالای استفاده از انرژی آنها، اکسیکون‌ها انتخاب اصلی برای تولید پرتوهای بسل با پالس فوق کوتاه در زمینه پردازش لیزری هستند. شکل زیر شماتیکی از باریک شدن پرتو و عبور یک پرتو بسل مرتبه صفر را نشان می‌دهد. با تنظیم بزرگنمایی و جهت‌گیری سیستم تصویربرداری 4f، فاصله انتشار غیرپراش، زاویه نیم مخروط و زاویه شیب در جهت انتشار پرتو بسل را می‌توان به راحتی کنترل کرد.

وقتی یک پرتو بسل مرتبه صفر با زاویه نیم مخروط Ɵ1 و فاصله انتشار بدون پراش Zmax از یک سیستم 4f متشکل از یک عدسی (L1) و یک عدسی شیئی (L2) عبور می‌کند، ابعاد هندسی بیشتر فشرده می‌شوند. بزرگنمایی جانبی تقریباً M=f1/f2=5 و بزرگنمایی طولی تقریباً M2=25 است. بنابراین، تصویربرداری نهایی از پرتو بسل مرتبه صفر درون نمونه را می‌توان با پارامترهای هندسی زیر نشان داد:

پارامترهای هندسی پرتو بسل که درون یک نمونه شیشه کوارتز تحت زوایای مخروطی مختلف و بزرگنمایی‌های فشردگی پرتو تصویربرداری شده است.

توزیع شدت میدان کانونی یک پرتو بسل

• r و z: به ترتیب مؤلفه‌های مختصات شعاعی و محوری.
• λ: طول موج مرکزی لیزر.
• w: شعاع 1/e² پرتو گاوسی فرودی.
• P0: حداکثر توان لیزر پالس فوق کوتاه.
• β1: زاویه نیم مخروط تیر بسل پس از فشردگی تیر.
• ک: بردار موج.
• J0: تابع بسل مرتبه صفر.

توزیع شدت پرتو بسل مرتبه صفر درون شیشه کوارتز: در سمت چپ توزیع چگالی توان نوری در امتداد جهت انتشار و نمای مقطع عرضی و در سمت راست توزیع چگالی توان نوری در امتداد محور و نمای مقطع عرضی قرار دارند.

۲. ویژگی‌های پرتو بسل پالس فمتوثانیه‌ای در شیشه سیلیس ذوب‌شده

شکل (الف) ریزنگاره‌های برهمکنش بین پرتوهای بسل پالس فمتوثانیه‌ای و شیشه سیلیس ذوب‌شده را در انرژی‌های پالس مختلف نشان می‌دهد. پهنای پالس لیزر در 220 فمتوثانیه ثابت شده است و زاویه نیم‌مخروط پرتو بسل در داخل نمونه 12.4 درجه است. می‌توان مشاهده کرد که ناحیه تحت تأثیر لیزر یک ساختار خطی یک بعدی معمولی را نشان می‌دهد. هنگامی که انرژی پالس لیزر کمتر از 9.5 میکروژول باشد، ضریب شکست ماده در ناحیه کانونی افزایش می‌یابد و به صورت یک ناحیه سیاه در ریزنگاره ظاهر می‌شود.

وقتی انرژی پالس لیزر از 9.5 میکروژول تجاوز می‌کند، ضریب شکست ماده در ناحیه کانونی کاهش می‌یابد و به صورت یک ناحیه سفید در میکروگراف ظاهر می‌شود و طول ناحیه سفید با افزایش انرژی پالس افزایش می‌یابد. با صیقل دادن نمونه، ویژگی‌های مورفولوژیکی ناحیه سفید را در انرژی پالس 15.4 میکروژول زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده کردیم، همانطور که در شکل (b) نشان داده شده است. می‌توان نتیجه گرفت که یک نانوحفره با قطر تقریبی 200 نانومتر در ناحیه‌ای با ضریب شکست کاهش یافته تشکیل می‌شود.

از طریق سیستم‌های حکاکی پرتو یونی و مشاهده میکروسکوپ الکترونی روبشی درجا، ما حضور نانوحفره را بیشتر تأیید کردیم (شکل c). بنابراین، برای به حداقل رساندن تولید نقص‌های ناشی از لیزر، انرژی تک پالس نباید در طول جوشکاری لیزری از 9.5 میکروژول تجاوز کند.

۳. دستیابی به جوشکاری میکرو با کیفیت بالا بین شیشه‌های سیلیس ذوب‌شده با استفاده از لیزر پالس فوق کوتاه بسل.

شکل (الف) یک ریزنگاره از نمای بالا از سطح جوش نمونه را نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که خط جوش لیزری یکنواخت و صاف است. اگرچه هنوز چند نقص ریزمنفذ با توزیع تصادفی در ناحیه جوش وجود دارد، اما در کل، به طور قابل توجهی بهتر از خط جوش لیزری گاوسی است. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که عرض خط جوش تقریباً 18 میکرومتر و فاصله بین خطوط جوش 40 میکرومتر است. شکل (ب) یک ریزنگاره از نمای جانبی از خط جوش نمونه را نشان می‌دهد.

مشاهده می‌شود که شکاف بین نمونه‌ها پس از پردازش لیزری کاملاً از بین می‌رود و ماده نزدیک به فصل مشترک پس از طی فرآیند ذوب-سرمایش حرارتی، به یک واحد واحد تبدیل شده است. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که عمق ناحیه ذوب حرارتی ناشی از لیزر تا 227 میکرومتر می‌رسد. این نشان می‌دهد که در طول جوشکاری لیزری با این پارامترها، عمق محوری موقعیت کانونی می‌تواند تا 227 میکرومتر برسد که چهار برابر جوشکاری لیزری گاوسی در شرایط یکسان است.

۴. لنزهای بسل را از کجا می‌توان خرید؟

شرکت Wavelength Opto-Electronic لنزهای Bessel با کیفیت بالا را ارائه می‌دهد که در کاربردهای پردازش لیزری مورد استفاده قرار می‌گیرند. قابلیت تنظیم عمق فوکوس پرتو خروجی با تنظیم اندازه قطر پرتو ورودی، جذاب‌ترین ویژگی این سیستم نوری پرتو Bessel است.