Dulliau Dylunio Trawst Bessel

Er mwyn toddi'r deunyddiau ar ddwy ochr y rhyngwyneb ar yr un pryd a sefydlu bond micro-ranbarth cryfder uchel, rhaid ffocysu'r pwynt ffocal laser yn fanwl gywir ar y sampl, sy'n gosod gofynion llym ar gywirdeb prosesu'r system weldio. Yn ogystal, oherwydd y graddiant dwyster echelinol mawr o'r trawst Gaussaidd ar ôl ffocysu, mae tymheredd y maes ffocal yn anwastad, gan ei gwneud yn dueddol o ffurfio diffygion micro- a nano-gwagle yn y rhanbarth yr effeithir arno gan y laser, sydd yn ei dro yn effeithio ar ansawdd weldio'r sampl.

Gellir defnyddio technoleg siapio golau gofodol i gynhyrchu trawstiau Bessel trefn sero i optimeiddio dosbarthiad dwyster maes ffocal y laser. Mae'r dull hwn yn lleihau'r graddiant dwyster echelinol ac yn ymestyn y hyd ffocal, a thrwy hynny'n cynyddu'r gymhareb dyfnder-i-led y rhanbarth effaith thermol a ffurfir gan y laser. O ganlyniad, mae'n lleihau gofynion cywirdeb ffocysu'r system weldio laser, gan wella ansawdd a effeithlonrwydd weldio.

1. Cynhyrchu a Dylunio Paramedrau Trawstiau Bessel Di-ddiffractio

Ym 1987, cynigiodd Durnin y trawst Bessel trefn sero am y tro cyntaf, sy'n dangos priodweddau unigryw nad ydynt yn diffreithiol: mae ei ddosbarthiad dwyster maes golau traws yn aros yr un fath yn ystod lluosogi, ac mae maint y smotyn canolog bob amser yn agos at y terfyn diffreithiol. Yn ogystal, mae trawstiau Bessel hefyd yn arddangos priodwedd hunan-iachâd yn ystod lluosogi. Pan fydd y smotyn canolog wedi'i rwystro, bydd y golau o'i gwmpas yn cydgyfeirio tuag at y canol i "atgyweirio" y smotyn canolog. Y mynegiant mathemategol ar gyfer dosbarthiad maes golau traws traws trawst Bessel trefn sero yw:

Yn y mynegiant:

• Mae J0 yn cynrychioli'r ffwythiant Bessel trefn sero.
• r a φ yw'r elfennau cyfesurynnau rheiddiol ac onglog, yn y drefn honno.
• z yw'r pellter lledaenu.
• Kr a Kz yw'r elfennau fector tonnau traws a hydredol, yn y drefn honno.

Mae gan fan canolog prif drawst Bessel o drefn sero allu cyfyngu cryf, sy'n caniatáu lefelau arbelydru o orchymyn TW/cm² neu uwch, a all gyffroi amsugno anlinellol yn effeithiol mewn deunyddiau. Yn bwysicach fyth, mae nodwedd lluosogi an-ddiffracsiynol trawstiau Bessel o drefn sero yn darparu dyfnder ffocws mwy a graddiant dwyster echelinol llai, gan greu maes tymheredd bron yn unffurf ac atal ffurfio diffygion weldio.

Mae'r ffigur canlynol yn dangos cymhariaeth o hyd ffocal trawstiau Bessel a thrawstiau Gaussaidd o dan yr un gallu cyfyngu traws. Mae gan drawstiau Bessel ddyfnder ffocws sylweddol wrth gynnal diamedr man ffocal lefel micron traws.

Mae sawl dull o gynhyrchu trawstiau Bessel trefn sero, ac mae'r tri phrif ddull canlynol yn gyffredin:

Dull Agorfa Ffolywog: Mae'r dull agorfa folywog, fel mae'r enw'n awgrymu, yn cynnwys defnyddio hollt folywog i gynhyrchu trawstiau Bessel. Dyma hefyd oedd y dull llwyddiannus cyntaf ar gyfer cynhyrchu trawstiau Bessel. Mae'r diagram isod yn dangos y dull agorfa folywog ar gyfer cynhyrchu trawstiau Bessel. Mae ton plan yn digwydd yn berpendicwlar i'r hollt folywog o'r chwith ac mae diffractiad yn digwydd.

Wedi hynny, mae lens bositif yn perfformio trawsffurfiad Fourier, gan arwain at ffurfio trawst Bessel y tu ôl i'r lens. Mae'r pellter lluosogi an-diffracsiynol Zmax yn gysylltiedig â diamedr d yr hollt gylchol ac agorfa rifiadol y lens.

Er y gall y dull hwn gynhyrchu trawstiau Bessel trefn sero, mae'r effeithlonrwydd trosi ynni yn isel iawn, gan ei gwneud hi'n anodd ei gymhwyso mewn meysydd prosesu laser.

Dull Modiwleiddiwr Golau Gofodol: Mae'r broses gynhyrchu trawst Bessel trefn sero yn broses o newid dosbarthiad cyfnod y trawst yn ei hanfod. Felly, gellir cynhyrchu trawst Bessel trefn sero hefyd gan ddefnyddio modiwleiddiwr golau gofodol. Mae modiwleiddiwr golau gofodol yn fath o ddyfais modiwleiddio optoelectronig sy'n rheoli dwyster a dosbarthiad cyfnod y maes golau trwy signalau trydanol. Gellir cynhyrchu trawst Bessel trefn sero trwy gymhwyso cyfnod y lens gonigol, fel y dangosir yn y ffigur isod, i banel gweithio'r modiwleiddiwr golau gofodol.

Dull axicon: Mae axicon yn un o'r elfennau diffractif gwydr goddefol a ddefnyddir amlaf ar gyfer cynhyrchu trawstiau Bessel. Pan fydd trawst Gaussaidd fel arfer yn taro ac yn mynd trwy axicon, caiff ei ddosbarthiad cyfnod ei fodiwleiddio, gan ei drawsnewid yn drawst Bessel trefn sero heb unrhyw golled ynni, fel y dangosir yn y ffigur isod.

Oherwydd cost isel, rhwyddineb defnydd, a throthwy difrod laser uchel axiconau gwydr, yn ogystal â'u heffeithlonrwydd defnyddio ynni eithriadol o uchel, axiconau yw'r prif ddewis ar gyfer cynhyrchu trawstiau Bessel pwls byr iawn ym maes prosesu laser. Mae'r ffigur isod yn dangos sgematig o gulhau a throsglwyddo trawst Bessel trefn sero. Trwy addasu chwyddiad a chyfeiriadedd y system delweddu 4f, gellir rheoli'r pellter lluosogi an-ddiffractif, yr ongl hanner côn, a'r ongl gogwydd yng nghyfeiriad lluosogi'r trawst Bessel yn hawdd.

Pan fydd trawst Bessel trefn sero gydag ongl hanner côn o Ɵ1 a phellter lluosogi di-ddiffracsiwn o Zmax yn mynd trwy system 4f sy'n cynnwys lens (L1) a lens amcan (L2), bydd y dimensiynau geometrig yn cael eu cywasgu ymhellach. Mae'r chwyddiad ochrol tua M=f1/f2=5, a'r chwyddiad hydredol tua M2=25. Felly, gellir cynrychioli delweddu terfynol y trawst Bessel trefn sero y tu mewn i'r sampl gan y paramedrau geometrig:

Paramedrau geometrig y trawst Bessel a ddelweddwyd y tu mewn i sampl gwydr cwarts o dan wahanol onglau côn a chwyddiadau cywasgu trawst.

Dosbarthiad dwyster maes ffocws trawst Bessel

• r a z: Cydrannau cyfesurynnau rheiddiol ac echelinol, yn y drefn honno.
• λ: Tonfedd ganolog y laser.
• w: radiws 1/e² y trawst Gaussaidd digwyddiadol.
• P0: Pŵer brig y laser pwls ultra-fer.
• β1: Ongl hanner côn trawst Bessel ar ôl cywasgu'r trawst.
• k: Fector tonnau.
• J0: Ffwythiant Bessel trefn sero.

Dosbarthiad dwyster y trawst Bessel trefn sero y tu mewn i wydr cwarts: Ar y chwith mae'r dosbarthiad dwysedd pŵer optegol ar hyd y cyfeiriad lluosogi a'r olygfa drawsdoriadol, ac ar y dde mae'r dosbarthiad dwysedd pŵer optegol ar hyd yr echelin a'r olygfa drawsdoriadol

2. Nodweddion y Trawst Bessel Pwls Femtosecond mewn Gwydr Silica Wedi'i Asio

Mae Ffigur (a) yn dangos y micrograffau o'r rhyngweithio rhwng trawstiau Bessel pwls femtosecond a gwydr silica wedi'i asio ar wahanol egni pwls. Mae lled pwls y laser wedi'i osod ar 220 fs, ac mae ongl hanner côn y trawst Bessel y tu mewn i'r sampl yn 12.4°. Gellir gweld bod y rhanbarth yr effeithir arno gan y laser yn arddangos strwythur llinol un dimensiwn nodweddiadol. Pan fydd egni pwls y laser yn llai na 9.5 μJ, mae mynegai plygiannol y deunydd yn y rhanbarth ffocal yn cynyddu, gan ymddangos fel rhanbarth du yn y micrograff.

Pan fydd egni pwls y laser yn fwy na 9.5 μJ, mae mynegai plygiannol y deunydd yn y rhanbarth ffocal yn lleihau, gan ymddangos fel rhanbarth gwyn yn y micrograff, ac mae hyd y rhanbarth gwyn yn cynyddu gydag egni pwls cynyddol. Drwy sgleinio'r sampl, gwelsom nodweddion morffolegol y rhanbarth gwyn ar egni pwls o 15.4 μJ o dan ficrosgop electron sganio, fel y dangosir yn Ffigur (b). Gellir dod i'r casgliad bod nano-fandwll gyda diamedr o tua 200 nm yn cael ei ffurfio yn y rhanbarth gyda mynegai plygiannol llai.

Drwy ysgythru trawst ïon a systemau arsylwi microsgop electron sganio in-situ, fe wnaethom gadarnhau ymhellach bresenoldeb y nano-fandwll (Ffigur c). Felly, er mwyn lleihau cynhyrchu diffygion a achosir gan laser, ni ddylai ynni'r pwls sengl fod yn fwy na 9.5 μJ yn ystod weldio laser.

3. Cyflawni Micro-Weldio o Ansawdd Uchel Rhwng Gwydrau Silica wedi'u Hasio gan ddefnyddio Laser Pwls Ultrashort Bessel.

Mae Ffigur (a) yn dangos micrograff golwg uchaf o arwyneb weldio'r sampl. Gellir gweld bod y llinell weldio laser yn unffurf ac yn llyfn. Er bod yna ychydig o ddiffygion microfandwll wedi'u dosbarthu ar hap yn yr ardal weldio, ar y cyfan, mae'n sylweddol well na'r llinell weldio laser Gaussaidd. Mae mesuriadau'n dangos bod lled y llinell weldio tua 18 μm, a bod y bylchau rhwng llinellau weldio yn 40 μm. Mae Ffigur (b) yn dangos micrograff golwg ochr o linell weldio'r sampl.

Gellir gweld bod y bwlch rhwng y samplau yn diflannu'n llwyr ar ôl prosesu laser, ac mae'r deunydd ger y rhyngwyneb wedi uno i mewn i un endid ar ôl mynd trwy'r broses toddi-oeri thermol. Mae mesuriadau'n datgelu bod dyfnder y rhanbarth toddi thermol a achosir gan laser yn cyrraedd hyd at 227 μm. Mae hyn yn dangos, yn ystod weldio laser gyda'r paramedrau hyn, y gall dyfnder echelinol y safle ffocal gyrraedd hyd at 227 μm, sydd bedair gwaith yn fwy na weldio laser Gaussaidd o dan yr un amodau.

4. Ble i Brynu Lensys Bessel?

Mae Wavelength Opto-Electronic yn cynnig lensys Bessel o ansawdd uchel a ddefnyddir mewn cymwysiadau prosesu laser. Y nodwedd fwyaf deniadol o'r system optegol trawst Bessel hon yw'r gallu i addasu dyfnder ffocws y trawst allbwn trwy addasu maint diamedr y trawst mewnbwn.