Phương pháp thiết kế dầm Bessel

Để đồng thời làm tan chảy vật liệu ở cả hai phía của giao diện và thiết lập liên kết vi vùng có độ bền cao, điểm hội tụ của laser phải được hội tụ chính xác vào mẫu, điều này đặt ra yêu cầu khắt khe về độ chính xác xử lý của hệ thống hàn. Ngoài ra, do độ dốc cường độ trục lớn của chùm tia Gaussian sau khi hội tụ, nhiệt độ trường hội tụ không đồng đều, dễ dẫn đến hình thành các khuyết tật vi mô và nano trong vùng bị ảnh hưởng bởi laser, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng hàn của mẫu.

Công nghệ định hình ánh sáng không gian có thể được sử dụng để tạo ra các chùm tia Bessel bậc không nhằm tối ưu hóa sự phân bố cường độ của trường tiêu điểm laser. Phương pháp này làm giảm độ dốc cường độ theo trục và kéo dài tiêu cự, do đó làm tăng tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng của vùng hiệu ứng nhiệt được tạo ra bởi laser. Kết quả là, nó làm giảm yêu cầu về độ chính xác hội tụ của hệ thống hàn laser, cải thiện cả chất lượng và hiệu quả hàn.

1. Sự hình thành và thiết kế tham số của chùm tia Bessel không nhiễu xạ

Năm 1987, Durnin lần đầu tiên đề xuất chùm tia Bessel bậc không, thể hiện các đặc tính không nhiễu xạ độc đáo: sự phân bố cường độ trường ánh sáng ngang của nó không thay đổi trong quá trình lan truyền, và kích thước của điểm trung tâm luôn gần với giới hạn nhiễu xạ. Ngoài ra, chùm tia Bessel cũng thể hiện đặc tính tự phục hồi trong quá trình lan truyền. Khi điểm trung tâm bị che khuất, ánh sáng xung quanh sẽ hội tụ về trung tâm để "sửa chữa" điểm trung tâm. Biểu thức toán học cho sự phân bố trường ánh sáng ngang của chùm tia Bessel bậc không là:

Trong biểu thức:

• J0 biểu thị hàm Bessel bậc không.
• r và φ lần lượt là các thành phần tọa độ bán kính và góc.
• z là khoảng cách truyền sóng.
• Kr và Kz lần lượt là các thành phần vectơ sóng ngang và dọc.

Điểm hội tụ trung tâm của chùm tia Bessel bậc không có khả năng giam giữ mạnh mẽ, cho phép mức độ chiếu xạ lên đến TW/cm² hoặc cao hơn, có thể kích thích hiệu quả sự hấp thụ phi tuyến trong vật liệu. Quan trọng hơn, đặc tính truyền không nhiễu xạ của chùm tia Bessel bậc không cung cấp độ sâu hội tụ lớn hơn và độ dốc cường độ dọc trục nhỏ hơn, do đó tạo ra trường nhiệt độ gần như đồng nhất và ngăn chặn sự hình thành các khuyết tật hàn.

Hình dưới đây so sánh tiêu cự của chùm tia Bessel và chùm tia Gaussian dưới cùng khả năng giới hạn ngang. Chùm tia Bessel có độ sâu tiêu điểm đáng kể trong khi vẫn duy trì đường kính điểm tiêu cự ngang ở mức micromet.

Có một số phương pháp tạo ra chùm tia Bessel bậc không, và ba phương pháp chính sau đây thường được sử dụng:

Phương pháp khe hở hình vòng: Như tên gọi cho thấy, phương pháp khe hở hình vòng sử dụng một khe hẹp hình vòng để tạo ra chùm tia Bessel. Đây cũng là phương pháp đầu tiên thành công trong việc tạo ra chùm tia Bessel. Sơ đồ bên dưới minh họa phương pháp khe hở hình vòng để tạo ra chùm tia Bessel. Một sóng phẳng chiếu vuông góc vào khe hẹp hình vòng từ bên trái và hiện tượng nhiễu xạ xảy ra.

Sau đó, một thấu kính dương thực hiện phép biến đổi Fourier, dẫn đến sự hình thành chùm tia Bessel phía sau thấu kính. Khoảng cách truyền không nhiễu xạ Zmax có liên quan đến đường kính d của khe hở hình vành khuyên và khẩu độ số của thấu kính.

Mặc dù phương pháp này có thể tạo ra chùm tia Bessel bậc không, nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng cực kỳ thấp, khiến việc ứng dụng nó trong lĩnh vực gia công laser trở nên khó khăn.

Phương pháp điều biến ánh sáng không gian: Quá trình tạo ra chùm tia Bessel bậc không về cơ bản là quá trình thay đổi sự phân bố pha của chùm tia. Do đó, chùm tia Bessel bậc không cũng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng bộ điều biến ánh sáng không gian. Bộ điều biến ánh sáng không gian là một loại thiết bị điều biến quang điện tử điều khiển cường độ và sự phân bố pha của trường ánh sáng thông qua các tín hiệu điện. Chùm tia Bessel bậc không có thể được tạo ra bằng cách áp dụng pha thấu kính hình nón, như hình dưới đây, vào bảng điều khiển làm việc của bộ điều biến ánh sáng không gian.

Phương pháp Axicon: Axicon là một trong những phần tử nhiễu xạ thụ động bằng thủy tinh được sử dụng phổ biến nhất để tạo ra chùm tia Bessel. Khi một chùm tia Gaussian chiếu vuông góc và đi qua axicon, sự phân bố pha của nó được điều chỉnh, biến đổi nó thành chùm tia Bessel bậc không mà không mất năng lượng, như hình dưới đây.

Do chi phí thấp, dễ sử dụng và ngưỡng chịu hư hại do laser cao của các thấu kính hình nón bằng thủy tinh, cũng như hiệu suất sử dụng năng lượng cực cao, thấu kính hình nón là lựa chọn hàng đầu để tạo ra chùm tia Bessel xung cực ngắn trong lĩnh vực gia công laser. Hình dưới đây cho thấy sơ đồ thu hẹp và truyền chùm tia Bessel bậc không. Bằng cách điều chỉnh độ phóng đại và hướng của hệ thống hình ảnh 4f, khoảng cách truyền không nhiễu xạ, góc nửa hình nón và góc nghiêng theo hướng truyền của chùm tia Bessel có thể dễ dàng được kiểm soát.

Khi một chùm tia Bessel bậc không với góc bán nón Ɵ1 và khoảng cách truyền không nhiễu xạ Zmax đi qua hệ thống 4f gồm một thấu kính (L1) và một thấu kính vật kính (L2), kích thước hình học sẽ bị nén thêm. Độ phóng đại theo phương ngang xấp xỉ M=f1/f2=5, và độ phóng đại theo phương dọc xấp xỉ M2=25. Do đó, hình ảnh cuối cùng của chùm tia Bessel bậc không bên trong mẫu có thể được biểu diễn bằng các thông số hình học:

Các thông số hình học của chùm tia Bessel được chụp ảnh bên trong mẫu thủy tinh thạch anh dưới các góc nón và độ phóng đại nén chùm tia khác nhau.

Phân bố cường độ trường tiêu điểm của chùm tia Bessel

• r và z: Lần lượt là các thành phần tọa độ xuyên tâm và trục.
• λ: Bước sóng trung tâm của tia laser.
• w: 1/e² bán kính của chùm tia Gaussian tới.
• P0: Công suất cực đại của laser xung cực ngắn.
• β1: Góc nửa hình nón của chùm tia Bessel sau khi nén chùm tia.
• k: Vectơ sóng.
• J0: Hàm Bessel bậc không.

Phân bố cường độ của chùm tia Bessel bậc không bên trong thủy tinh thạch anh: Bên trái là phân bố mật độ công suất quang dọc theo hướng truyền và hình chiếu mặt cắt ngang, bên phải là phân bố mật độ công suất quang dọc theo trục và hình chiếu mặt cắt ngang.

2. Đặc điểm của chùm tia Bessel xung femtô giây trong thủy tinh silica nung chảy

Hình (a) cho thấy ảnh hiển vi về sự tương tác giữa chùm tia Bessel xung femtô giây và thủy tinh silica nung chảy ở các mức năng lượng xung khác nhau. Độ rộng xung laser được cố định ở mức 220 fs, và góc bán nón của chùm tia Bessel bên trong mẫu là 12,4°. Có thể quan sát thấy vùng bị ảnh hưởng bởi laser thể hiện cấu trúc tuyến tính một chiều điển hình. Khi năng lượng xung laser nhỏ hơn 9,5 μJ, chỉ số khúc xạ của vật liệu trong vùng tiêu điểm tăng lên, xuất hiện dưới dạng vùng màu đen trong ảnh hiển vi.

Khi năng lượng xung laser vượt quá 9,5 μJ, chỉ số khúc xạ của vật liệu trong vùng tiêu điểm giảm, xuất hiện dưới dạng vùng trắng trong ảnh hiển vi, và chiều dài của vùng trắng tăng lên khi năng lượng xung tăng. Bằng cách đánh bóng mẫu, chúng tôi đã quan sát các đặc điểm hình thái của vùng trắng ở năng lượng xung 15,4 μJ dưới kính hiển vi điện tử quét, như thể hiện trong Hình (b). Có thể kết luận rằng một lỗ nano có đường kính khoảng 200 nm được hình thành trong vùng có chỉ số khúc xạ giảm.

Thông qua phương pháp khắc bằng chùm ion và hệ thống quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét tại chỗ, chúng tôi đã xác nhận thêm sự hiện diện của lỗ nano (Hình c). Do đó, để giảm thiểu sự phát sinh các khuyết tật do laser gây ra, năng lượng xung đơn không được vượt quá 9,5 μJ trong quá trình hàn laser.

3. Đạt được mối hàn siêu nhỏ chất lượng cao giữa các tấm kính silica nung chảy bằng laser xung cực ngắn Bessel.

Hình (a) cho thấy ảnh hiển vi nhìn từ trên xuống của bề mặt mối hàn mẫu. Có thể thấy rằng đường hàn laser đồng đều và mịn. Mặc dù vẫn còn một vài khuyết tật lỗ nhỏ phân bố ngẫu nhiên trong vùng hàn, nhưng nhìn chung, nó tốt hơn đáng kể so với đường hàn laser Gaussian. Các phép đo cho thấy chiều rộng đường hàn khoảng 18 μm, và khoảng cách giữa các đường hàn là 40 μm. Hình (b) cho thấy ảnh hiển vi nhìn từ bên cạnh của đường hàn mẫu.

Có thể thấy rằng khoảng cách giữa các mẫu hoàn toàn biến mất sau khi xử lý bằng laser, và vật liệu gần giao diện đã hợp nhất thành một khối duy nhất sau khi trải qua quá trình nóng chảy-làm nguội nhiệt. Các phép đo cho thấy độ sâu của vùng nóng chảy nhiệt do laser gây ra đạt tới 227 μm. Điều này cho thấy rằng trong quá trình hàn laser với các thông số này, độ sâu trục của vị trí tiêu điểm có thể đạt tới 227 μm, gấp bốn lần so với hàn laser Gaussian trong cùng điều kiện.

4. Mua thấu kính Bessel ở đâu?

Công ty Wavelength Opto-Electronic cung cấp các thấu kính Bessel chất lượng cao được sử dụng trong các ứng dụng xử lý laser. Khả năng điều chỉnh độ sâu tiêu điểm của chùm tia đầu ra bằng cách điều chỉnh đường kính chùm tia đầu vào là tính năng hấp dẫn nhất của hệ thống quang học chùm tia Bessel này.