ວິທີການອອກແບບ Bessel Beam

ເພື່ອລະລາຍວັດສະດຸທັງສອງດ້ານຂອງໜ້າຜິວພ້ອມໆກັນ ແລະ ສ້າງພັນທະພາກພື້ນຈຸລະພາກທີ່ມີຄວາມແຂງແຮງສູງ, ຈຸດໂຟກັສເລເຊີຕ້ອງຖືກໂຟກັສໃສ່ຕົວຢ່າງຢ່າງແນ່ນອນ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ເກີດຄວາມຕ້ອງການທີ່ເຂັ້ມງວດຕໍ່ຄວາມຖືກຕ້ອງຂອງການປະມວນຜົນຂອງລະບົບການເຊື່ອມ. ນອກຈາກນັ້ນ, ເນື່ອງຈາກຄວາມເຂັ້ມຂອງແກນ Gaussian ຫຼັງຈາກການໂຟກັສ, ອຸນຫະພູມຂອງສະໜາມໂຟກັສແມ່ນບໍ່ສະໝໍ່າສະເໝີ, ເຮັດໃຫ້ມັນມີແນວໂນ້ມທີ່ຈະສ້າງຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງຈຸລະພາກ ແລະ ໂມໂນໃນພາກພື້ນທີ່ໄດ້ຮັບຜົນກະທົບຈາກເລເຊີ, ເຊິ່ງສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ຄຸນນະພາບການເຊື່ອມຂອງຕົວຢ່າງ.

ເຕັກໂນໂລຊີການສ້າງຮູບຮ່າງແສງສະຫວ່າງທາງພື້ນທີ່ສາມາດໃຊ້ເພື່ອສ້າງລຳດັບສູນຂອງລຳດັບ Bessel ເພື່ອເພີ່ມປະສິດທິພາບການແຈກຢາຍຄວາມເຂັ້ມຂອງສະໜາມໂຟກັສເລເຊີ. ວິທີການນີ້ຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນຄວາມເຂັ້ມຂອງແກນ ແລະ ຂະຫຍາຍຄວາມຍາວໂຟກັສ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງເພີ່ມອັດຕາສ່ວນຄວາມເລິກຕໍ່ຄວາມກວ້າງຂອງພາກພື້ນຜົນກະທົບທາງຄວາມຮ້ອນທີ່ສ້າງຂຶ້ນໂດຍເລເຊີ. ດັ່ງນັ້ນ, ມັນຈຶ່ງຫຼຸດຜ່ອນຄວາມຕ້ອງການຄວາມແມ່ນຍຳໃນການໂຟກັສຂອງລະບົບການເຊື່ອມເລເຊີ, ເຊິ່ງປັບປຸງທັງຄຸນນະພາບ ແລະ ປະສິດທິພາບຂອງການເຊື່ອມ.

1. ການອອກແບບການສ້າງ ແລະ ພາລາມິເຕີຂອງຄານ Bessel ທີ່ບໍ່ມີການກະແຈກກະຈາຍ

ໃນປີ 1987, Durnin ໄດ້ສະເໜີລຳດັບສູນຂອງລຳແສງ Bessel ເປັນຄັ້ງທຳອິດ, ເຊິ່ງສະແດງໃຫ້ເຫັນຄຸນສົມບັດທີ່ບໍ່ແຕກຫັກເຫທີ່ເປັນເອກະລັກ: ການແຈກຢາຍຄວາມເຂັ້ມຂອງສະໜາມແສງຕາມແນວນອນຂອງມັນຍັງຄົງບໍ່ປ່ຽນແປງໃນລະຫວ່າງການແຜ່ລາມ, ແລະຂະໜາດຂອງຈຸດກາງແມ່ນຢູ່ໃກ້ກັບຂີດຈຳກັດການແຕກຫັກເຫສະເໝີ. ນອກຈາກນັ້ນ, ລຳແສງ Bessel ຍັງສະແດງຄຸນສົມບັດການຮັກສາຕົນເອງໃນລະຫວ່າງການແຜ່ລາມ. ເມື່ອຈຸດກາງຖືກກີດຂວາງ, ແສງອ້ອມຂ້າງຈະມາບรรจบກັນທາງກາງເພື່ອ "ສ້ອມແປງ" ຈຸດກາງ. ສຳນວນທາງຄະນິດສາດສຳລັບການແຈກຢາຍສະໜາມແສງຕາມແນວນອນຂອງລຳແສງ Bessel ເປັນລຳດັບສູນແມ່ນ:

ໃນຄຳເວົ້າ:

• J0 ​ແທນ​ໃຫ້​ຟັງຊັນ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນ.
• r ແລະ φ ແມ່ນອົງປະກອບພິກັດລັດສະໝີ ແລະ ມຸມຕາມລຳດັບ.
• z ແມ່ນໄລຍະການແຜ່ກະຈາຍ.
• Kr ແລະ Kz ແມ່ນອົງປະກອບຄື້ນເວັກເຕີຕາມລວງນອນ ແລະ ຕາມລວງຍາວຕາມລຳດັບ.

ຈຸດຫຼັກກາງຂອງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນມີຄວາມສາມາດໃນການກັກຂັງທີ່ເຂັ້ມແຂງ, ຊ່ວຍໃຫ້ມີລະດັບການສ່ອງແສງຂອງລຳດັບ TW/cm² ຫຼືສູງກວ່າ, ເຊິ່ງສາມາດກະຕຸ້ນການດູດຊຶມທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່ໃນວັດສະດຸໄດ້ຢ່າງມີປະສິດທິພາບ. ສິ່ງທີ່ສຳຄັນກວ່ານັ້ນ, ລັກສະນະການຂະຫຍາຍພັນທີ່ບໍ່ມີການບິດເບືອນຂອງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນໃຫ້ຄວາມເລິກຂອງການໂຟກັສທີ່ໃຫຍ່ກວ່າ ແລະ ຄວາມເຂັ້ມຂອງແກນທີ່ນ້ອຍກວ່າ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງສ້າງສະໜາມອຸນຫະພູມທີ່ເກືອບເປັນເອກະພາບ ແລະ ສະກັດກັ້ນການເກີດຂອງຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງການເຊື່ອມ.

ຮູບຕໍ່ໄປນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນການປຽບທຽບຄວາມຍາວໂຟກັສຂອງລຳແສງ Bessel ແລະ ລຳແສງ Gaussian ພາຍໃຕ້ຄວາມສາມາດໃນການກັກຂັງທາງຂວາງດຽວກັນ. ລຳແສງ Bessel ມີຄວາມເລິກຂອງການໂຟກັສທີ່ສຳຄັນ ໃນຂະນະທີ່ຮັກສາເສັ້ນຜ່າສູນກາງຈຸດໂຟກັສລະດັບໄມຄຣອນຕາມລວງນອນ.

ມີຫຼາຍວິທີການໃນການສ້າງລຳດັບສູນຂອງລຳດັບ Bessel, ແລະສາມວິທີການຫຼັກຕໍ່ໄປນີ້ແມ່ນພົບເຫັນທົ່ວໄປ:

ວິທີການຮູຮັບແສງແບບວົງແຫວນ: ວິທີການຮູຮັບແສງແບບວົງແຫວນ, ຕາມຊື່ທີ່ແນະນຳ, ກ່ຽວຂ້ອງກັບການໃຊ້ຮອຍແຕກວົງແຫວນເພື່ອຜະລິດລຳແສງ Bessel. ນີ້ຍັງເປັນວິທີການທຳອິດທີ່ປະສົບຜົນສຳເລັດສຳລັບການສ້າງລຳແສງ Bessel. ແຜນວາດຂ້າງລຸ່ມນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວິທີການຮູຮັບແສງແບບວົງແຫວນສຳລັບການສ້າງລຳແສງ Bessel. ຄື້ນຮາບພຽງຖືກຕົກໃສ່ຮອຍແຕກວົງແຫວນຈາກເບື້ອງຊ້າຍ ແລະ ມີການຫັກເຫຂອງແສງ.

ຫຼັງຈາກນັ້ນ, ເລນບວກຈະປະຕິບັດການຫັນປ່ຽນຟູຣຽ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ເກີດລຳແສງເບສເຊວຢູ່ທາງຫຼັງເລນ. ໄລຍະການແຜ່ກະຈາຍທີ່ບໍ່ມີການບິດເບືອນ Zmax ແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງກັບເສັ້ນຜ່າສູນກາງ d ຂອງຮອຍແຕກວົງແຫວນ ແລະ ຮູຮັບແສງຕົວເລກຂອງເລນ.

ເຖິງແມ່ນວ່າວິທີການນີ້ສາມາດສ້າງລຳດັບສູນຂອງລຳດັບ Bessel ໄດ້, ແຕ່ປະສິດທິພາບການປ່ຽນພະລັງງານແມ່ນຕໍ່າຫຼາຍ, ເຮັດໃຫ້ມັນຍາກທີ່ຈະນຳໃຊ້ໃນຂົງເຂດການປະມວນຜົນເລເຊີ.

ວິທີການດັດແປງແສງແບບພື້ນທີ່: ຂະບວນການສ້າງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນ ໂດຍພື້ນຖານແລ້ວແມ່ນຂະບວນການປ່ຽນແປງການແຈກຢາຍເຟສຂອງລຳແສງ. ດັ່ງນັ້ນ, ລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນຍັງສາມາດສ້າງຂຶ້ນໄດ້ໂດຍໃຊ້ຕົວດັດແປງແສງແບບພື້ນທີ່. ຕົວດັດແປງແສງແບບພື້ນທີ່ແມ່ນອຸປະກອນດັດແປງແສງແບບອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກຊະນິດໜຶ່ງທີ່ຄວບຄຸມຄວາມເຂັ້ມຂອງພາກສະໜາມແສງ ແລະ ການແຈກຢາຍເຟສຜ່ານສັນຍານໄຟຟ້າ. ລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນສາມາດສ້າງຂຶ້ນໄດ້ໂດຍການໃຊ້ເຟສເລນຮູບຈວຍ ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບຂ້າງລຸ່ມນີ້ ກັບແຜງເຮັດວຽກຂອງຕົວດັດແປງແສງແບບພື້ນທີ່.

ວິທີການ Axicon: Axicon ແມ່ນໜຶ່ງໃນອົງປະກອບການກະຈາຍແສງແບບ passive ທີ່ອີງໃສ່ແກ້ວທີ່ໃຊ້ກັນຫຼາຍທີ່ສຸດສຳລັບການສ້າງລຳແສງ Bessel. ເມື່ອລຳແສງ Gaussian ປະກົດຂຶ້ນ ແລະ ຜ່ານ axicon, ການແຈກຢາຍເຟສຂອງມັນຈະຖືກ modulate, ປ່ຽນມັນໃຫ້ເປັນລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນໂດຍບໍ່ມີການສູນເສຍພະລັງງານໃດໆ, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບຂ້າງລຸ່ມນີ້.

ເນື່ອງຈາກຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕໍ່າ, ງ່າຍຕໍ່ການໃຊ້ງານ, ແລະ ຂອບເຂດຄວາມເສຍຫາຍຂອງເລເຊີທີ່ສູງຂອງແກ້ວ axicons, ພ້ອມທັງປະສິດທິພາບການໃຊ້ພະລັງງານທີ່ສູງເປັນພິເສດ, axicons ແມ່ນທາງເລືອກຫຼັກສຳລັບການສ້າງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີກຳມະຈອນສັ້ນຫຼາຍໃນຂົງເຂດການປະມວນຜົນດ້ວຍເລເຊີ. ຮູບຂ້າງລຸ່ມນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນແຜນວາດຂອງການແຄບລົງຂອງລຳແສງ ແລະ ການສົ່ງຜ່ານຂອງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນ. ໂດຍການປັບການຂະຫຍາຍ ແລະ ທິດທາງຂອງລະບົບການຖ່າຍພາບ 4f, ໄລຍະການຂະຫຍາຍແບບບໍ່ມີການກະຈາຍ, ມຸມເຄິ່ງໂກນ, ແລະ ມຸມອຽງໃນທິດທາງການຂະຫຍາຍຂອງລຳແສງ Bessel ສາມາດຄວບຄຸມໄດ້ງ່າຍ.

ເມື່ອລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນທີ່ມີມຸມເຄິ່ງໂກນຂອງ Ư1 ແລະໄລຍະການແຜ່ກະຈາຍທີ່ບໍ່ມີການຫັກເຫຂອງ Zmax ຜ່ານລະບົບ 4f ທີ່ປະກອບດ້ວຍເລນ (L1) ແລະເລນວັດຖຸ (L2), ຂະໜາດເລຂາຄະນິດຈະຖືກບີບອັດຕື່ມອີກ. ການຂະຫຍາຍຂ້າງແມ່ນປະມານ M=f1/f2=5, ແລະການຂະຫຍາຍຕາມລວງຍາວແມ່ນປະມານ M2=25. ດັ່ງນັ້ນ, ການຖ່າຍພາບສຸດທ້າຍຂອງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນພາຍໃນຕົວຢ່າງສາມາດສະແດງໄດ້ໂດຍພາລາມິເຕີເລຂາຄະນິດ:

ພາລາມິເຕີທາງເລຂາຄະນິດຂອງລຳແສງ Bessel ທີ່ຖ່າຍພາຍໃນຕົວຢ່າງແກ້ວ quartz ພາຍໃຕ້ມຸມໂກນທີ່ແຕກຕ່າງກັນ ແລະ ການຂະຫຍາຍການບີບອັດລຳແສງ.

ການແຈກຢາຍຄວາມເຂັ້ມຂອງສະໜາມໂຟກັສຂອງລຳແສງ Bessel

• r ແລະ z: ອົງປະກອບພິກັດແບບລັດສະໝີ ແລະ ແກນ, ຕາມລຳດັບ.
• λ: ຄວາມຍາວຄື້ນກາງຂອງເລເຊີ.
• w: ລັດສະໝີ 1/e² ຂອງລຳແສງ Gaussian ທີ່ຕົກกระทบ.
• P0: ພະລັງງານສູງສຸດຂອງເລເຊີກຳມະຈອນໄວເກີນໄປ.
• β1: ມຸມເຄິ່ງໂກນຂອງລຳແສງ Bessel ຫຼັງຈາກການບີບອັດລຳແສງ.
• k: ເວັກເຕີຄື້ນ.
• J0: ຟັງຊັນ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນ.

ການແຈກຢາຍຄວາມເຂັ້ມຂອງລຳແສງ Bessel ທີ່ມີລຳດັບສູນພາຍໃນແກ້ວ quartz: ທາງຊ້າຍແມ່ນການແຈກຢາຍຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານແສງຕາມທິດທາງການແຜ່ກະຈາຍ ແລະ ມຸມມອງຕັດຂວາງ, ແລະ ທາງຂວາແມ່ນການແຈກຢາຍຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານແສງຕາມແກນ ແລະ ມຸມມອງຕັດຂວາງ.

2. ລັກສະນະຂອງລຳແສງ Femtosecond Pulse Bessel ໃນແກ້ວຊິລິກາປະສົມ

ຮູບ (ກ) ສະແດງຮູບຈຸລະພາກຂອງການພົວພັນລະຫວ່າງກຳມະຈອນ femtosecond ຂອງລຳແສງ Bessel ແລະແກ້ວຊິລິກາທີ່ປະສົມດ້ວຍພະລັງງານກຳມະຈອນທີ່ແຕກຕ່າງກັນ. ຄວາມກວ້າງຂອງກຳມະຈອນເລເຊີແມ່ນຄົງທີ່ 220 fs, ແລະມຸມເຄິ່ງໂກນຂອງລຳແສງ Bessel ພາຍໃນຕົວຢ່າງແມ່ນ 12.4°. ສາມາດສັງເກດເຫັນໄດ້ວ່າພື້ນທີ່ທີ່ໄດ້ຮັບຜົນກະທົບຈາກເລເຊີສະແດງໃຫ້ເຫັນໂຄງສ້າງເສັ້ນຊື່ໜຶ່ງມິຕິທົ່ວໄປ. ເມື່ອພະລັງງານກຳມະຈອນເລເຊີໜ້ອຍກວ່າ 9.5 μJ, ດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງວັດສະດຸໃນພື້ນທີ່ຈຸດສຸມຈະເພີ່ມຂຶ້ນ, ປະກົດເປັນພື້ນທີ່ສີດຳໃນຮູບຈຸລະພາກ.

ເມື່ອພະລັງງານກຳມະຈອນເລເຊີເກີນ 9.5 μJ, ດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງວັດສະດຸໃນພື້ນທີ່ຈຸດສຸມຈະຫຼຸດລົງ, ປະກົດເປັນພື້ນທີ່ສີຂາວໃນຮູບຈຸລະທັດ, ແລະຄວາມຍາວຂອງພື້ນທີ່ສີຂາວຈະເພີ່ມຂຶ້ນຕາມພະລັງງານກຳມະຈອນທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນ. ໂດຍການຂັດຕົວຢ່າງ, ພວກເຮົາໄດ້ສັງເກດເຫັນລັກສະນະທາງດ້ານຮູບຮ່າງຂອງພື້ນທີ່ສີຂາວທີ່ພະລັງງານກຳມະຈອນ 15.4 μJ ພາຍໃຕ້ກ້ອງຈຸລະທັດອີເລັກຕຣອນສະແກນ, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ (b). ສາມາດສະຫຼຸບໄດ້ວ່າຮູນາໂນທີ່ມີເສັ້ນຜ່າສູນກາງປະມານ 200 nm ຖືກສ້າງຕັ້ງຂຶ້ນໃນພື້ນທີ່ທີ່ມີດັດຊະນີການຫັກເຫທີ່ຫຼຸດລົງ.

ຜ່ານການແກະສະຫຼັກລຳແສງໄອອອນ ແລະ ລະບົບການສັງເກດການດ້ວຍກ້ອງຈຸລະທັດອີເລັກຕຣອນສະແກນໃນສະຖານທີ່, ພວກເຮົາໄດ້ຢືນຢັນຕື່ມອີກວ່າມີຮູຂະໜາດນາໂນ (ຮູບ c). ດັ່ງນັ້ນ, ເພື່ອຫຼຸດຜ່ອນການສ້າງຂໍ້ບົກຜ່ອງທີ່ເກີດຈາກເລເຊີ, ພະລັງງານກຳມະຈອນດ່ຽວບໍ່ຄວນເກີນ 9.5 μJ ໃນລະຫວ່າງການເຊື່ອມດ້ວຍເລເຊີ.

3. ການເຊື່ອມໂລຫະຂະໜາດນ້ອຍທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງລະຫວ່າງແວ່ນຕາຊິລິກາປະສົມໂດຍໃຊ້ເລເຊີ Bessel Ultrashort Pulse Laser.

ຮູບ (ກ) ສະແດງໃຫ້ເຫັນຮູບຈຸລະພາກຈາກມຸມເບິ່ງເທິງຂອງໜ້າຜິວເຊື່ອມຂອງຕົວຢ່າງ. ສາມາດເຫັນໄດ້ວ່າເສັ້ນຮອຍເຊື່ອມເລເຊີແມ່ນລຽບນຽນ ແລະ ເປັນເອກະພາບ. ເຖິງແມ່ນວ່າຍັງມີຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງຮູຂຸມຂົນນ້ອຍໆທີ່ແຈກຢາຍແບບສຸ່ມຢູ່ໃນພື້ນທີ່ເຊື່ອມ, ໂດຍລວມແລ້ວມັນດີກ່ວາເສັ້ນຮອຍເຊື່ອມເລເຊີ Gaussian ຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ. ການວັດແທກສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າຄວາມກວ້າງຂອງເສັ້ນຮອຍເຊື່ອມແມ່ນປະມານ 18 μm, ແລະໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງເສັ້ນຮອຍເຊື່ອມແມ່ນ 40 μm. ຮູບ (ຂ) ສະແດງໃຫ້ເຫັນຮູບຈຸລະພາກຈາກມຸມເບິ່ງຂ້າງຂອງເສັ້ນຮອຍເຊື່ອມຂອງຕົວຢ່າງ.

ສາມາດເຫັນໄດ້ວ່າຊ່ອງຫວ່າງລະຫວ່າງຕົວຢ່າງຈະຫາຍໄປໝົດຫຼັງຈາກການປະມວນຜົນດ້ວຍເລເຊີ, ແລະວັດສະດຸທີ່ຢູ່ໃກ້ກັບໜ້າຕ່າງໄດ້ລວມເຂົ້າກັນເປັນໜ່ວຍດຽວຫຼັງຈາກຜ່ານຂະບວນການລະລາຍ-ເຮັດໃຫ້ເຢັນດ້ວຍຄວາມຮ້ອນ. ການວັດແທກສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າຄວາມເລິກຂອງພາກພື້ນລະລາຍຄວາມຮ້ອນທີ່ເກີດຈາກເລເຊີສູງເຖິງ 227 μm. ນີ້ຊີ້ບອກວ່າໃນລະຫວ່າງການເຊື່ອມດ້ວຍເລເຊີດ້ວຍພາລາມິເຕີເຫຼົ່ານີ້, ຄວາມເລິກແກນຂອງຕຳແໜ່ງຈຸດສຸມສາມາດບັນລຸໄດ້ເຖິງ 227 μm, ເຊິ່ງສູງກວ່າການເຊື່ອມດ້ວຍເລເຊີ Gaussian ເຖິງສີ່ເທົ່າພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂດຽວກັນ.

4. ຊື້ເລນ Bessel ໄດ້ຢູ່ໃສ?

ບໍລິສັດ Opto-Electronic ທີ່ມີຄວາມຍາວຄື້ນສະເໜີເລນ Bessel ທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງ ເຊິ່ງໃຊ້ໃນການນຳໃຊ້ການປະມວນຜົນເລເຊີ. ຄວາມສາມາດໃນການປັບຄວາມເລິກຂອງໂຟກັສຂອງລຳແສງຜົນຜະລິດໂດຍການປັບຂະໜາດຂອງເສັ້ນຜ່າສູນກາງລຳແສງປ້ອນເຂົ້າແມ່ນຄຸນສົມບັດທີ່ໜ້າສົນໃຈທີ່ສຸດຂອງລະບົບລຳແສງ Bessel ນີ້.