బెసెల్ బీమ్ డిజైన్ పద్ధతులు

ఇంటర్‌ఫేస్‌కు ఇరువైపులా ఉన్న పదార్థాలను ఏకకాలంలో కరిగించి, అధిక-బలం గల సూక్ష్మ-ప్రాంత బంధాన్ని ఏర్పరచడానికి, లేజర్ ఫోకల్ పాయింట్‌ను నమూనాపై ఖచ్చితంగా కేంద్రీకరించాలి. ఇది వెల్డింగ్ సిస్టమ్ యొక్క ప్రాసెసింగ్ కచ్చితత్వంపై కఠినమైన అవసరాలను విధిస్తుంది. అదనంగా, ఫోకస్ చేసిన తర్వాత గాస్సియన్ బీమ్ యొక్క పెద్ద అక్షసంబంధ తీవ్రత ప్రవణత కారణంగా, ఫోకల్ ఫీల్డ్ ఉష్ణోగ్రత అసమానంగా ఉంటుంది. దీనివల్ల లేజర్-ప్రభావిత ప్రాంతంలో సూక్ష్మ మరియు నానో-శూన్య లోపాలు ఏర్పడే అవకాశం ఉంటుంది, ఇది పరోక్షంగా నమూనా యొక్క వెల్డింగ్ నాణ్యతను ప్రభావితం చేస్తుంది.

లేజర్ ఫోకల్ ఫీల్డ్ యొక్క తీవ్రత పంపిణీని ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి, జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి స్పేషియల్ లైట్ షేపింగ్ టెక్నాలజీని ఉపయోగించవచ్చు. ఈ విధానం యాక్సియల్ తీవ్రత గ్రేడియంట్‌ను తగ్గించి, ఫోకల్ లెంగ్త్‌ను పొడిగిస్తుంది, తద్వారా లేజర్ ద్వారా ఏర్పడిన థర్మల్ ఎఫెక్ట్ ప్రాంతం యొక్క లోతు-వెడల్పు నిష్పత్తిని పెంచుతుంది. ఫలితంగా, ఇది లేజర్ వెల్డింగ్ సిస్టమ్ యొక్క ఫోకసింగ్ ఖచ్చితత్వ అవసరాలను తగ్గిస్తుంది, వెల్డింగ్ నాణ్యత మరియు సామర్థ్యం రెండింటినీ మెరుగుపరుస్తుంది.

1. వివర్తనం చెందని బెసెల్ కిరణాల ఉత్పత్తి మరియు పారామీటర్ రూపకల్పన

1987లో, డర్నిన్ మొదటిసారిగా జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్‌ను ప్రతిపాదించారు, ఇది ప్రత్యేకమైన నాన్-డిఫ్రాక్టింగ్ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది: దీని ట్రాన్స్‌వర్స్ లైట్ ఫీల్డ్ తీవ్రత పంపిణీ ప్రసరణ సమయంలో మారకుండా ఉంటుంది, మరియు కేంద్ర స్పాట్ పరిమాణం ఎల్లప్పుడూ డిఫ్రాక్షన్ పరిమితికి దగ్గరగా ఉంటుంది. అదనంగా, బెసెల్ బీమ్‌లు ప్రసరణ సమయంలో స్వీయ-పునరుద్ధరణ లక్షణాన్ని కూడా ప్రదర్శిస్తాయి. కేంద్ర స్పాట్‌కు అడ్డంకి ఏర్పడినప్పుడు, చుట్టుపక్కల ఉన్న కాంతి కేంద్ర స్పాట్‌ను "మరమ్మత్తు" చేయడానికి కేంద్రం వైపు కేంద్రీకృతమవుతుంది. జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్ యొక్క ట్రాన్స్‌వర్స్ లైట్ ఫీల్డ్ పంపిణీకి గణిత సమీకరణం:

వ్యక్తీకరణలో:

• J0 అనేది సున్నా-క్రమ బెసెల్ ఫంక్షన్‌ను సూచిస్తుంది.
• r మరియు φ అనేవి వరుసగా వ్యాసార్థ మరియు కోణీయ నిరూపక మూలకాలు.
• z అనేది ప్రసార దూరం.
• Kr మరియు Kz అనేవి వరుసగా తిర్యక్ మరియు అనుదైర్ఘ్య తరంగ సదిశ మూలకాలు.

జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్ యొక్క కేంద్ర ప్రధాన స్పాట్ బలమైన బంధన సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఇది TW/cm² లేదా అంతకంటే ఎక్కువ స్థాయిలో వికిరణాన్ని అనుమతిస్తుంది, తద్వారా పదార్థాలలో నాన్-లీనియర్ శోషణను సమర్థవంతంగా ప్రేరేపిస్తుంది. మరింత ముఖ్యంగా, జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్‌ల యొక్క నాన్-డిఫ్రాక్టింగ్ ప్రసరణ లక్షణం ఎక్కువ డెప్త్ ఆఫ్ ఫోకస్‌ను మరియు తక్కువ యాక్సియల్ ఇంటెన్సిటీ గ్రేడియంట్‌ను అందిస్తుంది, తద్వారా దాదాపు ఏకరీతి ఉష్ణోగ్రతా క్షేత్రాన్ని సృష్టించి, వెల్డింగ్ లోపాల ఏర్పడటాన్ని అణిచివేస్తుంది.

కింది పటం ఒకే రకమైన అడ్డ బంధన సామర్థ్యం కింద బెసెల్ కిరణాలు మరియు గాసియన్ కిరణాల నాభ్యంతరాల పోలికను చూపుతుంది. బెసెల్ కిరణాలు అడ్డంగా మైక్రాన్-స్థాయి నాభ్యంతర నాభీ బిందువు వ్యాసాన్ని నిర్వహిస్తూనే, గణనీయమైన నాభి లోతును కలిగి ఉంటాయి.

జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి అనేక పద్ధతులు ఉన్నాయి మరియు ఈ క్రింది మూడు ప్రధాన పద్ధతులు సాధారణమైనవి:

వలయాకార రంధ్ర పద్ధతి: పేరు సూచించినట్లుగా, వలయాకార రంధ్ర పద్ధతిలో బెసెల్ కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఒక వలయాకార చీలికను ఉపయోగిస్తారు. బెసెల్ కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఇది మొట్టమొదటి విజయవంతమైన పద్ధతి కూడా. కింది పటం బెసెల్ కిరణాలను ఉత్పత్తి చేసే వలయాకార రంధ్ర పద్ధతిని వివరిస్తుంది. ఒక సమతల తరంగం ఎడమ వైపు నుండి వలయాకార చీలికపై లంబంగా పడినప్పుడు వివర్తనం జరుగుతుంది.

ఆ తర్వాత, ఒక ధనాత్మక కటకం ఫోరియర్ పరివర్తనను నిర్వహిస్తుంది, దీని ఫలితంగా కటకం వెనుక ఒక బెసెల్ కిరణం ఏర్పడుతుంది. వివర్తనం చెందని ప్రసార దూరం Zmax అనేది వలయాకార చీలిక యొక్క వ్యాసం d మరియు కటకం యొక్క సంఖ్యాత్మక ద్వారంపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

ఈ పద్ధతి జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయగలిగినప్పటికీ, శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యం చాలా తక్కువగా ఉండటం వల్ల దీనిని లేజర్ ప్రాసెసింగ్ రంగాలలో అనువర్తించడం కష్టమవుతుంది.

స్పేషియల్ లైట్ మాడ్యులేటర్ పద్ధతి: జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్ యొక్క ఉత్పత్తి ప్రక్రియ అనేది ప్రాథమికంగా బీమ్ యొక్క ఫేజ్ పంపిణీని మార్చే ప్రక్రియ. అందువల్ల, స్పేషియల్ లైట్ మాడ్యులేటర్‌ను ఉపయోగించి కూడా జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్‌ను ఉత్పత్తి చేయవచ్చు. స్పేషియల్ లైట్ మాడ్యులేటర్ అనేది ఒక రకమైన ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ మాడ్యులేషన్ పరికరం, ఇది విద్యుత్ సంకేతాల ద్వారా కాంతి క్షేత్రం యొక్క తీవ్రతను మరియు ఫేజ్ పంపిణీని నియంత్రిస్తుంది. కింద చిత్రంలో చూపిన విధంగా, కోనికల్ లెన్స్ ఫేజ్‌ను స్పేషియల్ లైట్ మాడ్యులేటర్ యొక్క వర్కింగ్ ప్యానెల్‌కు వర్తింపజేయడం ద్వారా జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్‌ను ఉత్పత్తి చేయవచ్చు.

యాక్సికాన్ పద్ధతి: బెసెల్ కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించే నిష్క్రియాత్మక గాజు ఆధారిత వివర్తన మూలకాలలో యాక్సికాన్ ఒకటి. ఒక గాసియన్ కిరణం యాక్సికాన్‌పై లంబంగా పడి దాని గుండా వెళ్ళినప్పుడు, దాని దశ పంపిణీ మాడ్యులేట్ చేయబడుతుంది, దీనివల్ల అది ఎటువంటి శక్తి నష్టం లేకుండా సున్నా-క్రమ బెసెల్ కిరణంగా రూపాంతరం చెందుతుంది, ఇది క్రింది చిత్రంలో చూపబడింది.

గాజు యాక్సికాన్‌ల తక్కువ ధర, వాడుకలో సౌలభ్యం, అధిక లేజర్ డ్యామేజ్ థ్రెషోల్డ్, అలాగే వాటి అత్యంత అధిక శక్తి వినియోగ సామర్థ్యం కారణంగా, లేజర్ ప్రాసెసింగ్ రంగంలో అతిస్వల్ప పల్స్ బెసెల్ కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి యాక్సికాన్‌లే ప్రధాన ఎంపికగా ఉన్నాయి. కింది పటం ఒక జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ కిరణం యొక్క కిరణ సంకుచితం మరియు ప్రసరణ యొక్క రేఖాచిత్రాన్ని చూపుతుంది. 4f ఇమేజింగ్ సిస్టమ్ యొక్క మాగ్నిఫికేషన్ మరియు ఓరియంటేషన్‌ను సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా, బెసెల్ కిరణం యొక్క ప్రసరణ దిశలో ఉండే నాన్-డిఫ్రాక్టివ్ ప్రసరణ దూరం, హాఫ్-కోన్ కోణం మరియు టిల్ట్ కోణాన్ని సులభంగా నియంత్రించవచ్చు.

Ɵ1 అర్ధ-శంకువు కోణం మరియు Zmax వివర్తన-రహిత ప్రసార దూరం కలిగిన ఒక శూన్య-క్రమ బెసెల్ కిరణపుంజం, ఒక కటకం (L1) మరియు ఒక ఆబ్జెక్టివ్ కటకం (L2) లతో కూడిన 4f వ్యవస్థ గుండా వెళ్ళినప్పుడు, దాని జ్యామితీయ కొలతలు మరింత సంపీడనం చెందుతాయి. పార్శ్వ ఆవర్ధనం సుమారుగా M=f1/f2=5, మరియు అనుదైర్ఘ్య ఆవర్ధనం సుమారుగా M2=25 ఉంటుంది. అందువల్ల, నమూనా లోపల శూన్య-క్రమ బెసెల్ కిరణపుంజం యొక్క తుది ప్రతిబింబాన్ని ఈ క్రింది జ్యామితీయ పారామితుల ద్వారా సూచించవచ్చు:

వివిధ కోన్ కోణాలు మరియు బీమ్ సంపీడన ఆవర్ధనాల కింద క్వార్ట్జ్ గ్లాస్ నమూనా లోపల ప్రతిబింబించిన బెసెల్ బీమ్ యొక్క జ్యామితీయ పారామితులు.

బెసెల్ పుంజం యొక్క ఫోకస్ క్షేత్ర తీవ్రత పంపిణీ

• r మరియు z: వరుసగా రేడియల్ మరియు యాక్సియల్ కోఆర్డినేట్ భాగాలు.
• λ: లేజర్ యొక్క కేంద్ర తరంగదైర్ఘ్యం.
• w: పతన గాసియన్ కిరణపుంజం యొక్క 1/e² వ్యాసార్థం.
• P0: అతిస్వల్ప పల్స్ లేజర్ యొక్క గరిష్ఠ శక్తి.
• β1: బీమ్ సంపీడనం తర్వాత బెసెల్ బీమ్ యొక్క హాఫ్-కోన్ కోణం.
• k: తరంగ సదిశ.
• J0: సున్నా-క్రమ బెసెల్ ఫంక్షన్.

క్వార్ట్జ్ గ్లాస్ లోపల జీరో-ఆర్డర్ బెసెల్ బీమ్ యొక్క తీవ్రత పంపిణీ: ఎడమ వైపున ప్రసరణ దిశ వెంబడి ఆప్టికల్ పవర్ డెన్సిటీ పంపిణీ మరియు క్రాస్-సెక్షనల్ వ్యూ ఉన్నాయి, మరియు కుడి వైపున అక్షం వెంబడి ఆప్టికల్ పవర్ డెన్సిటీ పంపిణీ మరియు క్రాస్-సెక్షనల్ వ్యూ ఉన్నాయి.

2. ఫ్యూజ్డ్ సిలికా గ్లాస్‌లో ఫెమ్టోసెకండ్ పల్స్ బెసెల్ బీమ్ యొక్క లక్షణాలు

పటం (ఎ) వివిధ పల్స్ శక్తి స్థాయిల వద్ద ఫెమ్టోసెకండ్ పల్స్ బెసెల్ కిరణాలకు మరియు ఫ్యూజ్డ్ సిలికా గ్లాస్‌కు మధ్య జరిగే పరస్పర చర్య యొక్క మైక్రోగ్రాఫ్‌లను చూపుతుంది. లేజర్ పల్స్ వెడల్పు 220 fs వద్ద స్థిరంగా ఉంచబడింది, మరియు నమూనా లోపల బెసెల్ కిరణం యొక్క హాఫ్-కోన్ కోణం 12.4°గా ఉంది. లేజర్-ప్రభావిత ప్రాంతం ఒక సాధారణ ఏక-పరిమాణ రేఖీయ నిర్మాణాన్ని ప్రదర్శిస్తుందని గమనించవచ్చు. లేజర్ పల్స్ శక్తి 9.5 μJ కంటే తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ఫోకల్ ప్రాంతంలోని పదార్థం యొక్క వక్రీభవన సూచిక పెరుగుతుంది, ఇది మైక్రోగ్రాఫ్‌లో నల్లని ప్రాంతంగా కనిపిస్తుంది.

లేజర్ పల్స్ శక్తి 9.5 μJ దాటినప్పుడు, ఫోకల్ ప్రాంతంలోని పదార్థం యొక్క వక్రీభవన సూచిక తగ్గుతుంది, ఇది మైక్రోగ్రాఫ్‌లో తెల్లని ప్రాంతంగా కనిపిస్తుంది, మరియు పల్స్ శక్తి పెరిగే కొద్దీ తెల్లని ప్రాంతం యొక్క పొడవు పెరుగుతుంది. నమూనాను పాలిష్ చేయడం ద్వారా, మేము 15.4 μJ పల్స్ శక్తి వద్ద తెల్లని ప్రాంతం యొక్క స్వరూప లక్షణాలను స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ కింద గమనించాము, ఇది పటం (b)లో చూపబడింది. తగ్గిన వక్రీభవన సూచిక ఉన్న ప్రాంతంలో సుమారు 200 nm వ్యాసం కలిగిన నానోపోర్ ఏర్పడుతుందని నిర్ధారించవచ్చు.

అయాన్ బీమ్ ఎచింగ్ మరియు ఇన్-సిటు స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ పరిశీలన వ్యవస్థల ద్వారా, మేము నానోపోర్ ఉనికిని మరింతగా నిర్ధారించాము (పటం సి). అందువల్ల, లేజర్-ప్రేరిత లోపాల ఉత్పత్తిని తగ్గించడానికి, లేజర్ వెల్డింగ్ సమయంలో సింగిల్ పల్స్ శక్తి 9.5 μJ మించకూడదు.

3. బెసెల్ అల్ట్రాషార్ట్ పల్స్ లేజర్‌ను ఉపయోగించి ఫ్యూజ్డ్ సిలికా గ్లాసుల మధ్య అధిక-నాణ్యత గల మైక్రో-వెల్డింగ్‌ను సాధించడం.

పటం (ఎ) నమూనా యొక్క వెల్డింగ్ ఉపరితలం యొక్క పై నుండి తీసిన మైక్రోగ్రాఫ్‌ను చూపుతుంది. లేజర్ వెల్డ్ లైన్ ఏకరీతిగా మరియు నునుపుగా ఉందని చూడవచ్చు. వెల్డింగ్ చేసిన ప్రాంతంలో ఇంకా కొన్ని యాదృచ్ఛికంగా పంపిణీ చేయబడిన మైక్రోపోర్ లోపాలు ఉన్నప్పటికీ, మొత్తం మీద, ఇది గాస్సియన్ లేజర్ వెల్డ్ లైన్ కంటే గణనీయంగా మెరుగ్గా ఉంది. కొలతల ప్రకారం వెల్డ్ లైన్ వెడల్పు సుమారుగా 18 μm, మరియు వెల్డ్ లైన్ల మధ్య దూరం 40 μm అని తెలుస్తుంది. పటం (బి) నమూనా యొక్క వెల్డ్ లైన్ యొక్క పక్క నుండి తీసిన మైక్రోగ్రాఫ్‌ను చూపుతుంది.

లేజర్ ప్రాసెసింగ్ తర్వాత నమూనాల మధ్య అంతరం పూర్తిగా అదృశ్యమవుతుందని, మరియు ఉష్ణ ద్రవీభవన-శీతలీకరణ ప్రక్రియ తర్వాత ఇంటర్‌ఫేస్ సమీపంలోని పదార్థం ఒకే భాగంగా కలిసిపోయిందని గమనించవచ్చు. లేజర్-ప్రేరిత ఉష్ణ ద్రవీభవన ప్రాంతం యొక్క లోతు 227 μm వరకు చేరుకుంటుందని కొలతలు వెల్లడిస్తున్నాయి. ఈ పారామితులతో లేజర్ వెల్డింగ్ చేసేటప్పుడు, ఫోకల్ పొజిషన్ యొక్క అక్షసంబంధ లోతు 227 μm వరకు చేరుకోగలదని ఇది సూచిస్తుంది, ఇది అదే పరిస్థితులలో గౌసియన్ లేజర్ వెల్డింగ్ కంటే నాలుగు రెట్లు ఎక్కువ.

4. బెసెల్ లెన్స్‌లను ఎక్కడ కొనాలి?

వేవ్‌లెంగ్త్ ఆప్టో-ఎలక్ట్రానిక్, లేజర్ ప్రాసెసింగ్ అనువర్తనాలలో ఉపయోగించే అధిక నాణ్యత గల బెసెల్ లెన్స్‌లను అందిస్తుంది. ఇన్‌పుట్ బీమ్ వ్యాసం పరిమాణాన్ని సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా అవుట్‌పుట్ బీమ్ యొక్క ఫోకస్ లోతును ట్యూన్ చేయగలగడం ఈ బెసెల్ బీమ్ ఆప్టికల్ సిస్టమ్ యొక్క అత్యంత ఆకర్షణీయమైన లక్షణం.