Metodi di progettazione delle travi di Bessel

Per fondere simultaneamente i materiali su entrambi i lati dell'interfaccia e stabilire un legame microregionale ad alta resistenza, il punto focale del laser deve essere focalizzato con precisione sul campione, il che impone requisiti stringenti in termini di accuratezza di lavorazione del sistema di saldatura. Inoltre, a causa dell'elevato gradiente di intensità assiale del fascio gaussiano dopo la focalizzazione, la temperatura del campo focale risulta disomogenea, favorendo la formazione di difetti micro e nanoscopici nella regione interessata dal laser, con conseguenti ripercussioni sulla qualità della saldatura del campione.

La tecnologia di modellazione spaziale della luce può essere utilizzata per generare fasci di Bessel di ordine zero al fine di ottimizzare la distribuzione dell'intensità del campo focale del laser. Questo approccio riduce il gradiente di intensità assiale ed estende la lunghezza focale, aumentando così il rapporto profondità-larghezza della regione di effetto termico formata dal laser. Di conseguenza, si riducono i requisiti di precisione di focalizzazione del sistema di saldatura laser, migliorando sia la qualità che l'efficienza della saldatura.

1. Generazione e progettazione dei parametri dei fasci di Bessel non diffrattivi

Nel 1987, Durnin propose per la prima volta il fascio di Bessel di ordine zero, che presenta proprietà di non diffrazione uniche: la distribuzione dell'intensità del campo luminoso trasversale rimane invariata durante la propagazione e la dimensione del punto centrale è sempre prossima al limite di diffrazione. Inoltre, i fasci di Bessel mostrano anche una proprietà di auto-riparazione durante la propagazione. Quando il punto centrale viene ostruito, la luce circostante converge verso il centro per "riparare" il punto centrale. L'espressione matematica per la distribuzione del campo luminoso trasversale di un fascio di Bessel di ordine zero è:

Nell'espressione:

• J0 rappresenta la funzione di Bessel di ordine zero.
• r e φ rappresentano rispettivamente le coordinate radiali e angolari.
• z è la distanza di propagazione.
• Kr e Kz rappresentano rispettivamente gli elementi del vettore d'onda trasversale e longitudinale.

Il punto focale centrale di un fascio di Bessel di ordine zero possiede una forte capacità di confinamento, che consente livelli di irraggiamento dell'ordine di TW/cm² o superiori, in grado di eccitare efficacemente l'assorbimento non lineare nei materiali. Ancora più importante, la caratteristica di propagazione non diffrattiva dei fasci di Bessel di ordine zero fornisce una maggiore profondità di fuoco e un gradiente di intensità assiale inferiore, creando così un campo di temperatura pressoché uniforme e sopprimendo la formazione di difetti di saldatura.

La figura seguente mostra un confronto tra la lunghezza focale dei fasci di Bessel e dei fasci gaussiani nelle stesse condizioni di confinamento trasversale. I fasci di Bessel possiedono una notevole profondità di campo pur mantenendo un diametro del punto focale trasversale dell'ordine dei micron.

Esistono diversi metodi per generare fasci di Bessel di ordine zero, e i tre metodi principali più comuni sono i seguenti:

Metodo dell'apertura anulare: Il metodo dell'apertura anulare, come suggerisce il nome, prevede l'utilizzo di una fessura anulare per produrre fasci di Bessel. Questo è stato anche il primo metodo di successo per la generazione di fasci di Bessel. Il diagramma seguente illustra il metodo dell'apertura anulare per la generazione di fasci di Bessel. Un'onda piana incide perpendicolarmente sulla fessura anulare da sinistra e si verifica la diffrazione.

In seguito, una lente positiva esegue una trasformata di Fourier, con conseguente formazione di un fascio di Bessel dietro la lente. La distanza di propagazione non diffrattiva Zmax è correlata al diametro d della fenditura anulare e all'apertura numerica della lente.

Sebbene questo metodo possa generare fasci di Bessel di ordine zero, l'efficienza di conversione energetica è estremamente bassa, il che ne rende difficile l'applicazione nei settori della lavorazione laser.

Metodo del modulatore spaziale di luce: Il processo di generazione di un fascio di Bessel di ordine zero consiste essenzialmente nella modifica della distribuzione di fase del fascio. Pertanto, un fascio di Bessel di ordine zero può essere generato anche utilizzando un modulatore spaziale di luce. Un modulatore spaziale di luce è un tipo di dispositivo di modulazione optoelettronica che controlla l'intensità e la distribuzione di fase del campo luminoso tramite segnali elettrici. Un fascio di Bessel di ordine zero può essere generato applicando la fase della lente conica, come mostrato nella figura seguente, al pannello di lavoro del modulatore spaziale di luce.

Metodo Axicon: Un axicon è uno degli elementi diffrattivi passivi a base di vetro più comunemente utilizzati per generare fasci di Bessel. Quando un fascio gaussiano incide normalmente su un axicon e lo attraversa, la sua distribuzione di fase viene modulata, trasformandolo in un fascio di Bessel di ordine zero senza alcuna perdita di energia, come mostrato nella figura seguente.

Grazie al basso costo, alla facilità d'uso e all'elevata soglia di danneggiamento da laser degli axiconi in vetro, nonché alla loro eccezionale efficienza di utilizzo dell'energia, gli axiconi rappresentano la scelta principale per la generazione di fasci di Bessel a impulsi ultracorti nel campo della lavorazione laser. La figura seguente mostra uno schema del restringimento e della trasmissione di un fascio di Bessel di ordine zero. Regolando l'ingrandimento e l'orientamento del sistema di imaging 4f, è possibile controllare facilmente la distanza di propagazione non diffrattiva, l'angolo di semiapertura del cono e l'angolo di inclinazione nella direzione di propagazione del fascio di Bessel.

Quando un fascio di Bessel di ordine zero con un angolo di semicono Ɵ1 e una distanza di propagazione senza diffrazione Zmax attraversa un sistema 4f composto da una lente (L1) e una lente obiettivo (L2), le dimensioni geometriche vengono ulteriormente compresse. L'ingrandimento laterale è approssimativamente M=f1/f2=5 e l'ingrandimento longitudinale è approssimativamente M2=25. Pertanto, l'immagine finale del fascio di Bessel di ordine zero all'interno del campione può essere rappresentata dai parametri geometrici:

Parametri geometrici del fascio di Bessel visualizzato all'interno di un campione di vetro al quarzo in funzione di diversi angoli di cono e ingrandimenti di compressione del fascio.

Distribuzione dell'intensità del campo focale di un fascio di Bessel

• r e z: Componenti della coordinata radiale e assiale, rispettivamente.
• λ: Lunghezza d'onda centrale del laser.
• w: 1/e² raggio del fascio gaussiano incidente.
• P0: Potenza di picco del laser a impulsi ultracorti.
• β1: Angolo di semicono del fascio di Bessel dopo la compressione del fascio.
• k: Vettore d'onda.
• J0: Funzione di Bessel di ordine zero.

Distribuzione dell'intensità del fascio di Bessel di ordine zero all'interno di un vetro di quarzo: a sinistra sono rappresentate la distribuzione della densità di potenza ottica lungo la direzione di propagazione e la vista in sezione trasversale, mentre a destra sono rappresentate la distribuzione della densità di potenza ottica lungo l'asse e la vista in sezione trasversale.

2. Caratteristiche del fascio Bessel a impulsi di femtosecondi nel vetro di silice fusa

La figura (a) mostra le micrografie dell'interazione tra fasci di Bessel a impulsi di femtosecondi e vetro di silice fusa a diverse energie di impulso. La larghezza dell'impulso laser è fissata a 220 fs e l'angolo di semicono del fascio di Bessel all'interno del campione è di 12,4°. Si può osservare che la regione interessata dal laser presenta una tipica struttura lineare unidimensionale. Quando l'energia dell'impulso laser è inferiore a 9,5 μJ, l'indice di rifrazione del materiale nella regione focale aumenta, apparendo come una regione nera nella micrografia.

Quando l'energia dell'impulso laser supera i 9,5 μJ, l'indice di rifrazione del materiale nella regione focale diminuisce, apparendo come una regione bianca nella micrografia, e la lunghezza della regione bianca aumenta con l'aumentare dell'energia dell'impulso. Lucidando il campione, abbiamo osservato le caratteristiche morfologiche della regione bianca a un'energia dell'impulso di 15,4 μJ al microscopio elettronico a scansione, come mostrato in Figura (b). Si può concludere che nella regione con indice di rifrazione ridotto si forma un nanoporo con un diametro di circa 200 nm.

Attraverso la tecnica di incisione con fascio ionico e l'osservazione in situ mediante microscopia elettronica a scansione, abbiamo ulteriormente confermato la presenza del nanoporo (Figura c). Pertanto, al fine di minimizzare la generazione di difetti indotti dal laser, l'energia del singolo impulso non dovrebbe superare i 9,5 μJ durante la saldatura laser.

3. Realizzazione di microsaldature di alta qualità tra vetri di silice fusa mediante laser a impulsi ultracorti Bessel.

La figura (a) mostra una micrografia dall'alto della superficie di saldatura del campione. Si può notare che la linea di saldatura laser è uniforme e liscia. Sebbene siano ancora presenti alcuni difetti di micropori distribuiti in modo casuale nell'area saldata, nel complesso il risultato è significativamente migliore rispetto alla linea di saldatura laser gaussiana. Le misurazioni mostrano che la larghezza della linea di saldatura è di circa 18 μm e la spaziatura tra le linee di saldatura è di 40 μm. La figura (b) mostra una micrografia laterale della linea di saldatura del campione.

Si può osservare che lo spazio tra i campioni scompare completamente dopo la lavorazione laser e che il materiale vicino all'interfaccia si è fuso in un'unica entità dopo aver subito il processo di fusione termica e raffreddamento. Le misurazioni rivelano che la profondità della regione di fusione termica indotta dal laser raggiunge i 227 μm. Ciò indica che durante la saldatura laser con questi parametri, la profondità assiale della posizione focale può raggiungere i 227 μm, ovvero quattro volte quella della saldatura laser gaussiana nelle stesse condizioni.

4. Dove acquistare le lenti Bessel?

Wavelength Opto-Electronic offre lenti Bessel di alta qualità utilizzate nelle applicazioni di lavorazione laser. La caratteristica più interessante di questo sistema ottico a fascio Bessel è la possibilità di regolare la profondità di fuoco del fascio in uscita modificando il diametro del fascio in ingresso.