बेसेल बीम डिझाइन पद्धती

इंटरफेसच्या दोन्ही बाजूंचे पदार्थ एकाच वेळी वितळवण्यासाठी आणि एक उच्च-शक्तीचा सूक्ष्म-क्षेत्रीय बंध स्थापित करण्यासाठी, लेझरचा केंद्रबिंदू नमुन्यावर अचूकपणे केंद्रित करणे आवश्यक असते, ज्यामुळे वेल्डिंग प्रणालीच्या प्रक्रिया अचूकतेवर कठोर मागण्या येतात. याव्यतिरिक्त, फोकस केल्यानंतर गॉसियन बीमच्या मोठ्या अक्षीय तीव्रता प्रवणतेमुळे, केंद्रबिंदू क्षेत्राचे तापमान असमान होते, ज्यामुळे लेझर-प्रभावित क्षेत्रात सूक्ष्म- आणि नॅनो-पोकळी दोष निर्माण होण्याची शक्यता वाढते, आणि याचा परिणाम नमुन्याच्या वेल्डिंग गुणवत्तेवर होतो.

लेझर फोकल फील्डच्या तीव्रतेचे वितरण ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी, झिरो-ऑर्डर बेसेल बीम तयार करण्याकरिता स्पॅशियल लाईट शेपिंग तंत्रज्ञानाचा वापर केला जाऊ शकतो. ही पद्धत अक्षीय तीव्रता ग्रेडियंट कमी करते आणि फोकल लांबी वाढवते, ज्यामुळे लेझरद्वारे तयार होणाऱ्या थर्मल इफेक्ट क्षेत्राचे खोली-रुंदी गुणोत्तर वाढते. परिणामी, यामुळे लेझर वेल्डिंग सिस्टमच्या फोकसिंग अचूकतेची आवश्यकता कमी होते, ज्यामुळे वेल्डिंगची गुणवत्ता आणि कार्यक्षमता दोन्ही सुधारतात.

१. विवर्तनरहित बेसेल बीमची निर्मिती आणि पॅरामीटर डिझाइन

१९८७ मध्ये, डर्निनने सर्वप्रथम शून्य-क्रमांक बेसेल शलाकेचा (zero-order Bessel beam) प्रस्ताव मांडला, जी अद्वितीय विवर्तन-रहित गुणधर्म दर्शवते: तिच्या आडव्या प्रकाश क्षेत्राच्या तीव्रतेचे वितरण प्रसारणादरम्यान अपरिवर्तित राहते आणि मध्यवर्ती ठिपक्याचा आकार नेहमी विवर्तन मर्यादेच्या जवळ असतो. याव्यतिरिक्त, बेसेल शलाका प्रसारणादरम्यान स्व-दुरुस्तीचा गुणधर्म देखील दर्शवतात. जेव्हा मध्यवर्ती ठिपक्याला अडथळा येतो, तेव्हा सभोवतालचा प्रकाश मध्यवर्ती ठिपक्याची "दुरुस्ती" करण्यासाठी केंद्राकडे एकत्रित होतो. शून्य-क्रमांक बेसेल शलाकेच्या आडव्या प्रकाश क्षेत्राच्या वितरणासाठी गणितीय सूत्र खालीलप्रमाणे आहे:

अभिव्यक्तीमध्ये:

• J0 हे शून्य-क्रमांक बेसेल फंक्शन दर्शवते.
• r आणि φ हे अनुक्रमे त्रिज्यीय आणि कोनीय निर्देशक घटक आहेत.
• z हे प्रसारणाचे अंतर आहे.
• Kr आणि Kz हे अनुक्रमे अनुप्रस्थ आणि अनुदैर्ध्य तरंग सदिश घटक आहेत.

शून्य-श्रेणीच्या बेसेल शलाकेच्या मध्यवर्ती मुख्य बिंदूमध्ये तीव्र रोधन क्षमता असते, ज्यामुळे TW/cm² किंवा त्याहून अधिक तीव्रतेचे विकिरण शक्य होते, जे पदार्थांमध्ये अरेखीय शोषणाला प्रभावीपणे उत्तेजित करू शकते. याहूनही महत्त्वाचे म्हणजे, शून्य-श्रेणीच्या बेसेल शलाकांचे विवर्तनरहित प्रसारण वैशिष्ट्य अधिक मोठी केंद्रीभवन खोली आणि लहान अक्षीय तीव्रता प्रवणता प्रदान करते, ज्यामुळे जवळजवळ एकसमान तापमान क्षेत्र तयार होते आणि वेल्डिंग दोषांची निर्मिती रोखली जाते.

खालील आकृतीमध्ये समान अनुप्रस्थ प्रतिबंध क्षमतेअंतर्गत बेसेल शलाका आणि गॉसियन शलाका यांच्या नाभीय लांबीची तुलना दर्शविली आहे. बेसेल शलाकांमध्ये अनुप्रस्थ मायक्रॉन-स्तरीय नाभीय ठिपक्याचा व्यास कायम राखताना लक्षणीय नाभी-खोली असते.

शून्य-क्रमांक बेसेल शलाका निर्माण करण्याच्या अनेक पद्धती आहेत आणि खालील तीन मुख्य पद्धती सामान्य आहेत:

वलयाकार छिद्र पद्धत: नावाप्रमाणेच, वलयाकार छिद्र पद्धतीमध्ये बेसेल शलाका निर्माण करण्यासाठी वलयाकार फटीचा वापर केला जातो. बेसेल शलाका निर्माण करण्याची ही पहिली यशस्वी पद्धत होती. खालील आकृती बेसेल शलाका निर्माण करण्यासाठीची वलयाकार छिद्र पद्धत दर्शवते. एक प्रतलीय तरंग डावीकडून वलयाकार फटीवर लंबवतपणे आपतित होतो आणि विवर्तन घडते.

त्यानंतर, एक पॉझिटिव्ह लेन्स फूरियर ट्रान्सफॉर्म करते, ज्यामुळे लेन्सच्या मागे बेसेल बीम तयार होतो. नॉन-डिफ्रॅक्टिंग प्रसारण अंतर Zmax हे वलयाकार स्लिटचा व्यास d आणि लेन्सच्या न्यूमेरिकल अपर्चरशी संबंधित आहे.

जरी या पद्धतीद्वारे शून्य-क्रमांकाचे बेसेल शलाका निर्माण करता येत असल्या तरी, ऊर्जा रूपांतरण कार्यक्षमता अत्यंत कमी असल्यामुळे लेझर प्रक्रिया क्षेत्रात तिचा वापर करणे अवघड ठरते.

स्पेशियल लाईट मॉड्युलेटर पद्धत: झिरो-ऑर्डर बेसेल बीम तयार करण्याची प्रक्रिया म्हणजे मूलतः बीमच्या फेज वितरणात बदल करण्याची प्रक्रिया आहे. त्यामुळे, स्पेशियल लाईट मॉड्युलेटरचा वापर करून झिरो-ऑर्डर बेसेल बीम देखील तयार केला जाऊ शकतो. स्पेशियल लाईट मॉड्युलेटर हे एक प्रकारचे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक मॉड्युलेशन उपकरण आहे, जे विद्युत सिग्नलद्वारे प्रकाश क्षेत्राची तीव्रता आणि फेज वितरण नियंत्रित करते. खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, स्पेशियल लाईट मॉड्युलेटरच्या वर्किंग पॅनलवर शंकूच्या आकाराच्या लेन्सचा फेज लागू करून झिरो-ऑर्डर बेसेल बीम तयार केला जाऊ शकतो.

अॅक्सिकॉन पद्धत: बेसेल शलाका निर्माण करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या सर्वात सामान्य निष्क्रिय काच-आधारित विवर्तन घटकांपैकी अॅक्सिकॉन एक आहे. जेव्हा एक गॉसियन शलाका अॅक्सिकॉनवर लंबवत आपतित होऊन त्यातून जाते, तेव्हा तिच्या कला वितरणात बदल होतो, ज्यामुळे खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, कोणत्याही ऊर्जेच्या हानीशिवाय तिचे शून्य-श्रेणी बेसेल शलाकेत रूपांतर होते.

ग्लास ॲक्सिकॉन्सची कमी किंमत, वापरण्यास सुलभता, आणि उच्च लेझर डॅमेज थ्रेशोल्ड, तसेच त्यांची अपवादात्मक उच्च ऊर्जा वापर कार्यक्षमता यांमुळे, लेझर प्रोसेसिंगच्या क्षेत्रात अल्ट्राशॉर्ट पल्स बेसेल बीम तयार करण्यासाठी ॲक्सिकॉन्स ही प्रमुख निवड आहे. खालील आकृतीमध्ये झिरो-ऑर्डर बेसेल बीमच्या बीम नॅरोइंग आणि ट्रान्समिशनची योजनाबद्ध मांडणी दर्शविली आहे. 4f इमेजिंग सिस्टीमचे मॅग्निफिकेशन आणि ओरिएंटेशन समायोजित करून, बेसेल बीमचे नॉन-डिफ्रॅक्टिव्ह प्रोपगेशन डिस्टन्स, हाफ-कोन अँगल, आणि प्रोपगेशन दिशेतील टिल्ट अँगल सहजपणे नियंत्रित केले जाऊ शकतात.

जेव्हा Ɵ1 च्या अर्ध-शंकू कोनासह आणि Zmax च्या विवर्तन-मुक्त प्रसारण अंतरासह एक शून्य-क्रम बेसेल शलाका, भिंग (L1) आणि उद्दिष्ट भिंग (L2) यांनी बनलेल्या 4f प्रणालीमधून जाते, तेव्हा भौमितिक परिमाणे आणखी संकुचित होतात. पार्श्विक विवर्धन अंदाजे M=f1/f2=5 असते, आणि अनुदैर्ध्य विवर्धन अंदाजे M2=25 असते. अशाप्रकारे, नमुन्याच्या आत शून्य-क्रम बेसेल शलाकेचे अंतिम प्रतिमांकन खालील भौमितिक मापदंडांद्वारे दर्शविले जाऊ शकते:

वेगवेगळ्या कोन कोनांखाली आणि शलाका संकुचन विवर्धनाखाली क्वार्ट्झ काचेच्या नमुन्यामध्ये प्रतिरूपित केलेल्या बेसेल शलाकेचे भौमितिक मापदंड.

बेसेल शलाकेच्या केंद्रित क्षेत्राची तीव्रता वितरण

• r आणि z: अनुक्रमे त्रिज्यीय आणि अक्षीय निर्देशक घटक.
• λ: लेसरची मध्यवर्ती तरंगलांबी.
• w: आपाती गॉसियन शलाकेची 1/e² त्रिज्या.
• P0: अतिलघु स्पंद लेसरची सर्वोच्च शक्ती.
• β1: बीम संपीडनानंतर बेसेल बीमचा अर्ध-शंकू कोन.
• k: तरंग सदिश.
• J0: शून्य-क्रमांक बेसेल फलन.

क्वार्ट्ज ग्लासच्या आत शून्य-ऑर्डर बेसेल शलाकेचे तीव्रता वितरण: डावीकडे प्रसारणाच्या दिशेने प्रकाशीय शक्ती घनतेचे वितरण आणि आडवा छेद दर्शविला आहे, आणि उजवीकडे अक्षाच्या दिशेने प्रकाशीय शक्ती घनतेचे वितरण आणि आडवा छेद दर्शविला आहे.

२. वितळलेल्या सिलिका काचेमधील फेमटोसेकंद पल्स बेसेल शलाकेची वैशिष्ट्ये

आकृती (अ) मध्ये वेगवेगळ्या पल्स ऊर्जांवर फेमटोसेकंद पल्स बेसेल बीम आणि फ्यूज्ड सिलिका ग्लास यांच्यातील आंतरक्रियेचे मायक्रोग्राफ दाखवले आहेत. लेझर पल्सची रुंदी २२० fs निश्चित केली आहे, आणि नमुन्याच्या आत बेसेल बीमचा अर्ध-शंकू कोन १२.४° आहे. असे दिसून येते की लेझर-प्रभावित क्षेत्र एक वैशिष्ट्यपूर्ण एक-मितीय रेषीय रचना दर्शवते. जेव्हा लेझर पल्स ऊर्जा ९.५ μJ पेक्षा कमी असते, तेव्हा फोकल क्षेत्रातील पदार्थाचा अपवर्तनांक वाढतो, जो मायक्रोग्राफमध्ये काळ्या भागाच्या रूपात दिसतो.

जेव्हा लेझर पल्स ऊर्जा ९.५ μJ पेक्षा जास्त होते, तेव्हा फोकल क्षेत्रातील पदार्थाचा अपवर्तनांक कमी होतो, ज्यामुळे मायक्रोग्राफमध्ये एक पांढरा भाग दिसतो आणि पल्स ऊर्जा वाढल्याने या पांढऱ्या भागाची लांबी वाढते. नमुन्याला पॉलिश करून, आम्ही स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपखाली १५.४ μJ पल्स ऊर्जेवर या पांढऱ्या भागाची आकारिक वैशिष्ट्ये पाहिली, जसे की आकृती (b) मध्ये दाखवले आहे. यावरून असा निष्कर्ष काढता येतो की, कमी झालेल्या अपवर्तनांकाच्या क्षेत्रात अंदाजे २०० nm व्यासाचे एक नॅनोपोर तयार होते.

आयन बीम एचिंग आणि इन-सिटू स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप निरीक्षण प्रणालींद्वारे, आम्ही नॅनोपोअरच्या अस्तित्वाची अधिक पुष्टी केली (आकृती c). म्हणून, लेझर-प्रेरित दोषांची निर्मिती कमी करण्यासाठी, लेझर वेल्डिंग दरम्यान एकल पल्स ऊर्जा 9.5 μJ पेक्षा जास्त नसावी.

३. बेसेल अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेझरचा वापर करून फ्यूज्ड सिलिका ग्लासेसमध्ये उच्च-गुणवत्तेचे मायक्रो-वेल्डिंग साध्य करणे.

आकृती (अ) मध्ये नमुन्याच्या वेल्डिंग पृष्ठभागाचा वरून घेतलेला मायक्रोग्राफ दाखवला आहे. यावरून असे दिसून येते की लेझर वेल्ड लाइन एकसमान आणि गुळगुळीत आहे. वेल्ड केलेल्या भागात अजूनही काही अनियमितपणे विखुरलेले सूक्ष्म छिद्रांचे दोष असले तरी, एकूणच, ती गॉसियन लेझर वेल्ड लाइनपेक्षा लक्षणीयरीत्या चांगली आहे. मोजमापांवरून असे दिसून येते की वेल्ड लाइनची रुंदी अंदाजे १८ μm आहे आणि वेल्ड लाइन्समधील अंतर ४० μm आहे. आकृती (ब) मध्ये नमुन्याच्या वेल्ड लाइनचा बाजूने घेतलेला मायक्रोग्राफ दाखवला आहे.

हे दिसून येते की लेझर प्रक्रियेनंतर नमुन्यांमधील अंतर पूर्णपणे नाहीसे होते आणि औष्णिक वितळणे-थंड होण्याच्या प्रक्रियेनंतर इंटरफेसजवळील पदार्थ एकसंध होऊन एकसंध बनतो. मोजमापांवरून असे दिसून येते की लेझर-प्रेरित औष्णिक वितळण्याच्या क्षेत्राची खोली २२७ μm पर्यंत पोहोचते. यावरून असे सूचित होते की, या पॅरामीटर्ससह लेझर वेल्डिंग करताना, फोकल पोझिशनची अक्षीय खोली २२७ μm पर्यंत पोहोचू शकते, जी त्याच परिस्थितीत गॉसियन लेझर वेल्डिंगच्या तुलनेत चौपट आहे.

४. बेसेल लेन्स कुठे खरेदी करावे?

वेव्हलेंथ ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक लेझर प्रोसेसिंग ॲप्लिकेशन्समध्ये वापरल्या जाणाऱ्या उच्च-गुणवत्तेच्या बेसेल लेन्स उपलब्ध करून देते. इनपुट बीमच्या व्यासाचा आकार समायोजित करून आउटपुट बीमच्या फोकसची खोली समायोजित करण्याची क्षमता हे या बेसेल बीम ऑप्टिकल सिस्टीमचे सर्वात आकर्षक वैशिष्ट्य आहे.