שיטות תכנון Bessel Bessel Bessel

כדי להמיס בו זמנית את החומרים משני צידי הממשק וליצור קשר מיקרו-אזורי בעל חוזק גבוה, נקודת המוקד של הלייזר חייבת להיות ממוקדת במדויק על הדגימה, דבר המטיל דרישות מחמירות על דיוק העיבוד של מערכת הריתוך. בנוסף, בשל מפל העוצמה הצירית הגדול של קרן גאוס לאחר המיקוד, טמפרטורת שדה המוקד אינה אחידה, מה שהופך אותו נוטה להיווצרות פגמי מיקרו וננו-חללים באזור המושפע מהלייזר, מה שבתורו משפיע על איכות הריתוך של הדגימה.

ניתן להשתמש בטכנולוגיית עיצוב אור מרחבי כדי לייצר קרני Bessel מסדר אפס כדי לייעל את פיזור העוצמה של שדה המוקד של הלייזר. גישה זו מפחיתה את גרדיאנט העוצמה הצירי ומאריכה את אורך המוקד, ובכך מגדילה את יחס העומק-לרוחב של אזור האפקט התרמי שנוצר על ידי הלייזר. כתוצאה מכך, היא מפחיתה את דרישות דיוק המיקוד של מערכת ריתוך הלייזר, ומשפרת הן את איכות הריתוך והן את היעילות.

1. יצירה ותכנון פרמטרים של קרני בסל שאינן עקיפות

בשנת 1987, דורנין הציע לראשונה את קרן בסל מסדר אפס, אשר מציגה תכונות ייחודיות שאינן מעקפות: פיזור עוצמת שדה האור הרוחבי שלה נשאר ללא שינוי במהלך ההתפשטות, וגודל הנקודה המרכזית תמיד קרוב לגבול העקיפה. בנוסף, קרן בסל מציגה גם תכונת ריפוי עצמי במהלך ההתפשטות. כאשר הנקודה המרכזית חסומה, האור שמסביב יתכנס לכיוון המרכז כדי "לתקן" את הנקודה המרכזית. הביטוי המתמטי לפיזור שדה האור הרוחבי של קרן בסל מסדר אפס הוא:

בביטוי:

• J0 מייצג את פונקציית בסל מסדר אפס.
• r ו-φ הם אלמנטי הקואורדינטות הרדיאליים והזוויתיים, בהתאמה.
• z הוא מרחק ההתפשטות.
• Kr ו-Kz הם אלמנטי וקטור הגל הרוחביים והאורכיים, בהתאמה.

לנקודה המרכזית הראשית של קרן בסל מסדר אפס יש יכולת כליאה חזקה, המאפשרת רמות קרינה בסדר גודל של TW/cm² ומעלה, אשר יכולות לעורר ביעילות בליעה לא לינארית בחומרים. חשוב מכך, מאפיין ההתפשטות שאינו עקיף של קרן בסל מסדר אפס מספק עומק מיקוד גדול יותר וגרדיאנט עוצמה צירי קטן יותר, ובכך יוצר שדה טמפרטורה כמעט אחיד ומדכא היווצרות פגמי ריתוך.

האיור הבא מציג השוואה בין אורך המוקד של קרני בסל לקורות גאוסיות תחת אותה יכולת כליאה רוחבית. קרני בסל בעלות עומק מיקוד ניכר תוך שמירה על קוטר נקודת מוקד רוחבי ברמת מיקרון.

ישנן מספר שיטות ליצירת קרני בסל מסדר אפס, ושלוש השיטות העיקריות הבאות נפוצות:

שיטת הצמצם הטבעתי: שיטת הצמצם הטבעתי, כפי שמרמז שמה, כרוכה בשימוש בחריץ טבעתי כדי לייצר קרני בסל. זו הייתה גם השיטה המוצלחת הראשונה ליצירת קרני בסל. התרשים שלהלן ממחיש את שיטת הצמצם הטבעתי ליצירת קרני בסל. גל מישורי פוגע בניצב על החריץ הטבעתי משמאל ומתרחשת דיפרקציה.

לאחר מכן, עדשה חיובית מבצעת טרנספורמציית פורייה, וכתוצאה מכך נוצרת קרן בסל מאחורי העדשה. מרחק ההתפשטות שאינו עקיף Zmax קשור לקוטר d של החריץ הטבעתי ולצמצם המספרי של העדשה.

למרות ששיטה זו יכולה לייצר קרני בסל מסדר אפס, יעילות המרת האנרגיה נמוכה ביותר, מה שמקשה על יישומה בתחומי עיבוד לייזר.

שיטת מודולטור אור מרחבי: תהליך יצירת קרן בסל מסדר אפס הוא למעשה תהליך של שינוי פיזור הפאזה של הקרן. לכן, ניתן לייצר קרן בסל מסדר אפס גם באמצעות מודולטור אור מרחבי. מודולטור אור מרחבי הוא סוג של התקן אפנון אופטואלקטרוני השולט בעוצמת שדה האור ובפיזור הפאזה שלו באמצעות אותות חשמליים. ניתן לייצר קרן בסל מסדר אפס על ידי הפעלת פאזה של העדשה הקונית, כפי שמוצג באיור למטה, על לוח העבודה של מודולטור האור המרחבי.

שיטת האקסיקון: אקסיקון הוא אחד האלמנטים הדיפרקטיביים הפסיביים הנפוצים ביותר מבוססי זכוכית ליצירת קרני בסל. כאשר קרן גאוסית פוגעת בדרך כלל באקסיון ועוברת דרכו, פיזור הפאזה שלה מווסת, מה שהופך אותה לקרן בסל מסדר אפס ללא כל אובדן אנרגיה, כפי שמוצג באיור למטה.

בשל העלות הנמוכה, קלות השימוש וסף נזק הלייזר הגבוה של אקסיקונים מזכוכית, כמו גם יעילות ניצול האנרגיה הגבוהה במיוחד שלהם, אקסיקונים הם הבחירה העיקרית ליצירת אלומות Bessel בעלות פולסים קצרים במיוחד בתחום עיבוד הלייזר. האיור שלהלן מציג סכמטיקה של היצרות האלומה והעברתה של קרן Bessel מסדר אפס. על ידי התאמת ההגדלה והכיוון של מערכת ההדמיה 4f, ניתן לשלוט בקלות במרחק ההתפשטות הלא-דיפרקטיבית, זווית חצי-החרוט וזווית ההטיה בכיוון ההתפשטות של קרן Bessel.

כאשר קרן בסל מסדר אפס עם זווית חצי חרוט של Ɵ1 ומרחק התפשטות ללא דיפרקציה של Zmax עוברת דרך מערכת 4f המורכבת מעדשה (L1) ועדשת אובייקטיבית (L2), הממדים הגיאומטריים ידחסו עוד יותר. ההגדלה הצידית היא בקירוב M=f1/f2=5, וההגדלה האורכית היא בקירוב M2=25. לפיכך, ניתן לייצג את ההדמיה הסופית של קרן בסל מסדר אפס בתוך הדגימה על ידי הפרמטרים הגיאומטריים:

פרמטרים גיאומטריים של קרן בסל שצולמו בתוך דגימת זכוכית קוורץ תחת זוויות חרוט שונות והגדלות דחיסת קרן.

פיזור עוצמת שדה המיקוד של קרן בסל

• r ו-z: רכיבי קואורדינטות רדיאליות וציריות, בהתאמה.
• λ: אורך הגל המרכזי של הלייזר.
• w: רדיוס 1/e² של קרן גאוסית הפוגעת.
• P0: עוצמת שיא של לייזר פולסים אולטרה-קצר.
• β1: זווית חצי-חרוט של קרן בסל לאחר דחיסת הקרן.
• k: וקטור גל.
• J0: פונקציית בסל מסדר אפס.

פיזור עוצמה של קרן בסל מסדר אפס בתוך זכוכית קוורץ: משמאל נמצאים פיזור צפיפות ההספק האופטית לאורך כיוון ההתפשטות ותצוגת החתך, ומימין נמצאים פיזור צפיפות ההספק האופטית לאורך הציר ותצוגת החתך.

2. מאפייני קרן בסל דופק פמטו-שנייה בזכוכית סיליקה מותכת

איור (א) מציג את המיקרוגרפים של האינטראקציה בין קרני Bessel בפולס פמטו-שנייה וזכוכית סיליקה מותכת באנרגיות פולס שונות. רוחב פולס הלייזר קבוע על 220 fps, וזווית חצי החרוט של קרן Bessel בתוך הדגימה היא 12.4°. ניתן לראות כי האזור המושפע מהלייזר מציג מבנה ליניארי חד-ממדי טיפוסי. כאשר אנרגיית פולס הלייזר נמוכה מ-9.5 מיקרו-ג'אול, מקדם השבירה של החומר באזור המוקד עולה, ומופיע כאזור שחור במיקרוגרף.

כאשר אנרגיית פולס הלייזר עולה על 9.5 מיקרו-ג'אול, מקדם השבירה של החומר באזור המוקד יורד, ומופיע כאזור לבן במיקרוגרף, ואורך האזור הלבן עולה עם עליית אנרגיית הפולס. על ידי ליטוש הדגימה, צפינו במאפיינים המורפולוגיים של האזור הלבן באנרגיית פולס של 15.4 מיקרו-ג'אול תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, כפי שמוצג באיור (ב). ניתן להסיק כי נוצרת ננו-נקבובית בקוטר של כ-200 ננומטר באזור עם מקדם שבירה מופחת.

באמצעות איכול באמצעות קרן יונים ומערכות תצפית במיקרוסקופ אלקטרונים סורק באתר, אישרנו עוד יותר את נוכחות הננו-נקבובית (איור ג'). לכן, על מנת למזער את יצירת הפגמים הנגרמים על ידי לייזר, אנרגיית הפולס הבודד לא צריכה לעלות על 9.5 מיקרו-ג'אול במהלך ריתוך בלייזר.

3. השגת ריתוך מיקרו באיכות גבוהה בין זכוכית סיליקה מותכת באמצעות לייזר פולסים אולטרה-קצר של Bessel.

איור (א) מציג מיקרוסקופ תמונה מלמעלה של משטח הריתוך של הדגימה. ניתן לראות שקו הריתוך בלייזר אחיד וחלק. למרות שעדיין ישנם כמה פגמי מיקרופורקביים אקראיים באזור הריתוך, בסך הכל הוא טוב משמעותית מקו הריתוך בלייזר גאוסיאני. מדידות מראות שרוחב קו הריתוך הוא כ-18 מיקרומטר, והמרווח בין קווי הריתוך הוא 40 מיקרומטר. איור (ב) מציג מיקרוסקופ תמונה מלמעלה של קו הריתוך של הדגימה.

ניתן לראות שהפער בין הדגימות נעלם לחלוטין לאחר עיבוד הלייזר, והחומר הסמוך לממשק התמזג לישות אחת לאחר שעבר תהליך התכה-קירור תרמי. מדידות מגלות שעומק אזור ההיתוך התרמי המושרה על ידי הלייזר מגיע עד 227 מיקרון. משמעות הדבר היא שבמהלך ריתוך בלייזר עם פרמטרים אלה, העומק הצירי של מיקום המוקד יכול להגיע עד 227 מיקרון, פי ארבעה מזה של ריתוך בלייזר גאוסי באותם תנאים.

4. היכן ניתן לקנות עדשות Bessel?

חברת Wavelength Opto-Electronic מציעה עדשות Bessel איכותיות המשמשות ביישומי עיבוד לייזר. יכולת כוונון עומק המיקוד של קרן הפלט על ידי התאמת גודל קוטר קרן הקלט היא המאפיין האטרקטיבי ביותר של מערכת אופטית זו של קרן Bessel.