Hönnunaraðferðir Bessel-geisla

Til að bræða efnin samtímis á báðum hliðum snertifletisins og koma á sterkri örsvæðatengingu verður leysigeislafókusinn að vera nákvæmlega einbeittur á sýnið, sem setur strangar kröfur um nákvæmni suðukerfisins. Þar að auki, vegna mikils áslægs styrkleikahalla Gauss-geislans eftir fókusun, er brennisviðshitastigið ójafnt, sem gerir það viðkvæmt fyrir myndun ör- og nanóhola á svæðinu sem leysigeislinn hefur áhrif á, sem aftur hefur áhrif á suðugæði sýnisins.

Rýmisljósmótunartækni er hægt að nota til að búa til núllstigs Bessel-geisla til að hámarka styrkleikadreifingu brennisviðs leysisins. Þessi aðferð dregur úr ásstyrkleikahalla og lengir brennivíddina, sem eykur dýptar-til-breiddarhlutfallið í hitaáhrifasvæðinu sem leysirinn myndar. Þar af leiðandi dregur það úr fókusunarnákvæmni leysissuðukerfisins, sem bætir bæði suðugæði og skilvirkni.

1. Myndun og breytuhönnun á Bessel-geislum án dreifingar

Árið 1987 lagði Durnin fyrst til núllstigs Bessel-geisla, sem sýnir einstaka eiginleika án dreifingar: dreifing ljóssviðs þversniðs helst óbreytt meðan á útbreiðslu stendur og stærð miðpunktsins er alltaf nálægt dreifingarmörkum. Að auki sýna Bessel-geislar einnig sjálfgræðandi eiginleika meðan á útbreiðslu stendur. Þegar miðpunkturinn er skyggður mun ljósið í kring safnast saman að miðjunni til að „gera við“ miðpunktinn. Stærðfræðilega jöfnunin fyrir dreifingu ljóssviðs þversniðs núllstigs Bessel-geisla er:

Í tjáningunni:

• J0 táknar Bessel-fallið af núllstigi.
• r og φ eru geisla- og hornhnitarþættirnir, talið í sömu röð.
• z er útbreiðslufjarlægðin.
• Kr og Kz eru þversbylgjuvigur- og langsumbylgjuvigurþættir, talið í sömu röð.

Miðlægi aðalbletturinn í núllstigs Bessel-geisla hefur sterka innilokunargetu, sem gerir kleift að ná geislunarstigum upp á TW/cm² eða hærra, sem getur á áhrifaríkan hátt örvað ólínulega gleypni í efnum. Mikilvægara er að óbreytt útbreiðslueiginleiki núllstigs Bessel-geisla veitir meiri dýptarskerpu og minni ásstyrkleikahalla, sem skapar þannig næstum einsleitt hitastigsvið og bælir niður myndun suðugalla.

Eftirfarandi mynd sýnir samanburð á brennivídd Bessel-geisla og Gauss-geisla við sömu þvermálsþéttleika. Bessel-geislar hafa töluverða dýptarskerpu en viðhalda þvermáli þvermáls á míkronstigi.

Það eru nokkrar aðferðir til að búa til núllstigs Bessel-geisla og eftirfarandi þrjár meginaðferðir eru algengar:

Hringlaga opnunaraðferð: Hringlaga opnunaraðferðin, eins og nafnið gefur til kynna, felur í sér að nota hringlaga rauf til að framleiða Bessel-geisla. Þetta var einnig fyrsta farsæla aðferðin til að búa til Bessel-geisla. Myndritið hér að neðan sýnir hringlaga opnunaraðferðina til að búa til Bessel-geisla. Flat bylgja fellur hornrétt á hringlaga raufina frá vinstri og ljósbrot á sér stað.

Að því loknu framkvæmir jákvæð linsa Fourier umbreytingu, sem leiðir til myndunar Bessel-geisla fyrir aftan linsuna. Útbreiðslufjarlægðin Zmax, sem ekki dreifist, tengist þvermáli d hringlaga raufarinnar og tölulegu ljósopi linsunnar.

Þó að þessi aðferð geti myndað Bessel-geisla af núllstigi, er orkunýtnin afar lág, sem gerir hana erfiða í notkun á sviðum leysigeislavinnslu.

Aðferð með rúmfræðilegri ljósstýringu: Myndunarferli núllstigs Bessel-geisla er í raun ferli þar sem fasadreifing geislans breytist. Þess vegna er einnig hægt að mynda núllstigs Bessel-geisla með því að nota rúmfræðilega ljósstýringu. Rúmfræðilegur ljósstýring er tegund ljósfræðilegs mótunartækis sem stýrir styrkleika og fasadreifingu ljóssviðsins með rafmerkjum. Hægt er að mynda núllstigs Bessel-geisla með því að beita keilulaga linsufasa, eins og sýnt er á myndinni hér að neðan, á vinnuborð rúmfræðilega ljósstýringarinnar.

Axikon aðferð: Axikon er eitt algengasta glerbrotsefnið sem notað er til að búa til Bessel geisla. Þegar Gauss-geisli fellur venjulega á og fer í gegnum axikon, breytist fasadreifing hans og breytist í núllstigs Bessel geisla án orkutaps, eins og sýnt er á myndinni hér að neðan.

Vegna lágs kostnaðar, auðveldrar notkunar og mikils leysigeislaskemmdaþröskulds gleraxíkóna, sem og einstaklega mikillar orkunýtingar, eru axíkónar aðalkosturinn til að mynda örstuttar púls-Bessel-geisla á sviði leysigeislavinnslu. Myndin hér að neðan sýnir skýringarmynd af þrengingu og sendingu geislans í núllstigs Bessel-geisla. Með því að stilla stækkun og stefnu 4f myndgreiningarkerfisins er auðvelt að stjórna útbreiðslufjarlægð án dreifingar, hálfkeiluhorni og hallahorni í útbreiðslustefnu Bessel-geislans.

Þegar Bessel-geisli af núllta stigi með hálfkeiluhorni Ɵ1 og dreifingarfría útbreiðslufjarlægð Zmax fer í gegnum 4f kerfi sem samanstendur af linsu (L1) og hlutlinsu (L2), munu rúmfræðilegu víddirnar þjappast enn frekar saman. Lárétt stækkun er um það bil M=f1/f2=5 og lengdarstækkunin er um það bil M2=25. Þannig er hægt að tákna lokamyndina af Bessel-geislanum af núllta stigi innan sýnisins með rúmfræðilegum breytum:

Rúmfræðilegir breytur Bessel-geislans sem myndaðir eru inni í kvarsglersýni undir mismunandi keiluhornum og geislaþjöppunarstækkunum.

Dreifing fókussviðsstyrkleika Bessel-geisla

• r og z: Geisla- og áslægir hnitþættir, talið í sömu röð.
• λ: Miðbylgjulengd leysigeislans.
• w: 1/e² radíus innfallandi Gauss-geislans.
• P0: Hámarksafl úlfskammtímapúlsleysisins.
• β1: Hálfkeiluhorn Bessel-geislans eftir þjöppun geislans.
• k: Bylgjuvektor.
• J0: Bessel-fall af núllstigi.

Styrkleikadreifing núllstigs Bessel-geislans inni í kvarsgleri: Vinstra megin er dreifing ljósaflsþéttleikans meðfram útbreiðslustefnu og þversniðsmynd, og hægra megin er dreifing ljósaflsþéttleikans meðfram ásnum og þversniðsmynd.

2. Einkenni femtósekúndu púls Bessel geisla í bræddu kísilgleri

Mynd (a) sýnir smásjármyndir af víxlverkun milli femtósekúndu púls Bessel-geisla og sambrædds kísilglers við mismunandi púlsorku. Púlsbreidd leysigeislans er föst við 220 fs og hálfkeiluhorn Bessel-geislans inni í sýninu er 12,4°. Sjá má að svæðið sem leysigeislinn hefur áhrif á sýnir dæmigerða einvídda línulega uppbyggingu. Þegar leysigeislaorka er minni en 9,5 μJ eykst ljósbrotsstuðull efnisins í brennisvæðinu og birtist sem svart svæði á smásjármyndinni.

Þegar leysigeislaorkan fer yfir 9,5 μJ minnkar ljósbrotsstuðull efnisins í brennipunktssvæðinu og birtist sem hvítt svæði á smásjármyndinni, og lengd hvíta svæðisins eykst með aukinni púlsorku. Með því að pússa sýnið skoðuðum við formfræðileg einkenni hvíta svæðisins við púlsorku upp á 15,4 μJ undir rafeindasmásjá, eins og sýnt er á mynd (b). Má álykta að nanóhola með þvermál um það bil 200 nm myndast á svæðinu með lækkaðan ljósbrotsstuðul.

Með jóngeislasuðu og rafeindasmásjárskoðun staðfestum við frekar tilvist nanóholunnar (mynd c). Til að lágmarka myndun galla af völdum leysigeisla ætti orka staks púls ekki að fara yfir 9,5 μJ við leysissuðu.

3. Að ná fram hágæða örsuðu milli bræddra kísilglerja með Bessel Ultrashort púlsleysi.

Mynd (a) sýnir smásjármynd af suðuyfirborði sýnisins séð ofan frá. Þar sést að leysissuðulínan er einsleit og slétt. Þó að enn séu nokkrir handahófskenndir örholugalla á suðusvæðinu, þá er hún í heildina marktækt betri en Gauss-leysissuðulínan. Mælingar sýna að breidd suðulínunnar er um það bil 18 μm og bilið á milli suðulínanna er 40 μm. Mynd (b) sýnir hliðarsmásjármynd af suðulínu sýnisins.

Það sést að bilið á milli sýnanna hverfur alveg eftir leysigeislavinnslu og efnið nálægt snertifletinum hefur runnið saman í eina heild eftir að hafa gengist undir varmabræðslu-kælingarferlið. Mælingar sýna að dýpt varmabræðslusvæðisins sem leysigeislinn framkallaði nær allt að 227 μm. Þetta bendir til þess að við leysigeislasuðu með þessum breytum geti ásdýpt brennipunktsins náð allt að 227 μm, sem er fjórum sinnum meira en við Gauss-leysigeislasuðu við sömu aðstæður.

4. Hvar er hægt að kaupa Bessel-linsur?

Wavelength Opto-Electronic býður upp á hágæða Bessel-linsur sem notaðar eru í leysigeislavinnslu. Stillanleiki á dýptarfókus útgangsgeislans með því að stilla stærð þvermáls inntaksgeislans er aðlaðandi eiginleiki þessa Bessel-geislakerfis.