วิธีการออกแบบคานเบสเซล

เพื่อให้วัสดุทั้งสองด้านของรอยต่อหลอมละลายพร้อมกันและสร้างพันธะขนาดเล็กที่มีความแข็งแรงสูง จุดโฟกัสของเลเซอร์จะต้องถูกโฟกัสอย่างแม่นยำบนชิ้นงาน ซึ่งทำให้ระบบการเชื่อมต้องมีความแม่นยำสูง นอกจากนี้ เนื่องจากความเข้มของลำแสงเกาส์เซียนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามแนวแกนหลังจากโฟกัสแล้ว อุณหภูมิในบริเวณโฟกัสจึงไม่สม่ำเสมอ ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องขนาดเล็กและระดับนาโนในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากเลเซอร์ ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อมของชิ้นงาน

เทคโนโลยีการปรับรูปร่างแสงเชิงพื้นที่สามารถใช้สร้างลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความเข้มของสนามโฟกัสเลเซอร์ วิธีการนี้ช่วยลดการไล่ระดับความเข้มตามแนวแกนและขยายความยาวโฟกัส ทำให้เพิ่มอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของบริเวณผลกระทบทางความร้อนที่เกิดจากเลเซอร์ ส่งผลให้ลดความต้องการความแม่นยำในการโฟกัสของระบบเชื่อมเลเซอร์ ปรับปรุงทั้งคุณภาพและประสิทธิภาพการเชื่อม

1. การสร้างและการออกแบบพารามิเตอร์ของลำแสงเบสเซลที่ไม่เกิดการเลี้ยวเบน

ในปี 1987 เดอร์นินได้เสนอแนวคิดลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์เป็นครั้งแรก ซึ่งแสดงคุณสมบัติที่ไม่เกิดการเลี้ยวเบนที่เป็นเอกลักษณ์ กล่าวคือ การกระจายความเข้มของสนามแสงตามแนวขวางยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการแพร่กระจาย และขนาดของจุดศูนย์กลางจะใกล้เคียงกับขีดจำกัดการเลี้ยวเบนเสมอ นอกจากนี้ ลำแสงเบสเซลยังแสดงคุณสมบัติการซ่อมแซมตัวเองในระหว่างการแพร่กระจาย เมื่อจุดศูนย์กลางถูกกีดขวาง แสงโดยรอบจะรวมตัวกันที่จุดศูนย์กลางเพื่อ "ซ่อมแซม" จุดศูนย์กลางนั้น นิพจน์ทางคณิตศาสตร์สำหรับการกระจายความเข้มของสนามแสงตามแนวขวางของลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์คือ:

ในการแสดงออก:

• J0 แทนฟังก์ชันเบสเซลอันดับศูนย์
• r และ φ คือองค์ประกอบพิกัดรัศมีและพิกัดเชิงมุม ตามลำดับ
• z คือระยะทางการแพร่กระจาย
• Kr และ Kz คือองค์ประกอบเวกเตอร์คลื่นตามแนวขวางและตามแนวยาว ตามลำดับ

จุดศูนย์กลางหลักของลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์มีคุณสมบัติในการกักเก็บพลังงานสูง ทำให้สามารถฉายรังสีได้ในระดับ TW/cm² หรือสูงกว่า ซึ่งสามารถกระตุ้นการดูดซับแบบไม่เชิงเส้นในวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ ที่สำคัญกว่านั้น คุณลักษณะการแพร่กระจายแบบไม่เลี้ยวเบนของลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ทำให้ได้ความลึกของการโฟกัสที่มากขึ้นและค่าความชันของความเข้มตามแนวแกนที่น้อยลง จึงสร้างสนามอุณหภูมิที่เกือบสม่ำเสมอและยับยั้งการเกิดข้อบกพร่องจากการเชื่อม

ภาพต่อไปนี้แสดงการเปรียบเทียบความยาวโฟกัสของลำแสงเบสเซลและลำแสงเกาส์เซียนภายใต้ความสามารถในการกักเก็บตามแนวขวางที่เท่ากัน ลำแสงเบสเซลมีระยะโฟกัสที่ลึกมาก ในขณะที่ยังคงรักษาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางจุดโฟกัสในระดับไมครอนตามแนวขวางไว้ได้

มีหลายวิธีในการสร้างลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ และสามวิธีหลักที่ใช้กันทั่วไปมีดังนี้:

วิธีการใช้ช่องเปิดวงแหวน: วิธีการใช้ช่องเปิดวงแหวนนั้น ตามชื่อที่บ่งบอก คือการใช้ช่องแคบรูปวงแหวนเพื่อสร้างลำแสงเบสเซล นี่เป็นวิธีการแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างลำแสงเบสเซลเช่นกัน แผนภาพด้านล่างแสดงวิธีการใช้ช่องเปิดวงแหวนในการสร้างลำแสงเบสเซล คลื่นระนาบตกกระทบตั้งฉากกับช่องแคบรูปวงแหวนจากด้านซ้าย และเกิดการเลี้ยวเบนขึ้น

หลังจากนั้น เลนส์บวกจะทำการแปลงฟูริเยร์ ส่งผลให้เกิดลำแสงเบสเซลขึ้นด้านหลังเลนส์ ระยะการแพร่กระจายที่ไม่เกิดการเลี้ยวเบน Zmax ​มีความสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลาง d ของช่องวงแหวนและค่ารูรับแสงเชิงตัวเลขของเลนส์

แม้ว่าวิธีการนี้จะสามารถสร้างลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ได้ แต่ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำมาก ทำให้ยากต่อการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านการประมวลผลด้วยเลเซอร์

วิธีการใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่: กระบวนการสร้างลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์นั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงการกระจายเฟสของลำแสง ดังนั้น ลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์จึงสามารถสร้างได้โดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นอุปกรณ์ปรับสัญญาณแสงอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่งที่ควบคุมความเข้มและการกระจายเฟสของสนามแสงผ่านสัญญาณไฟฟ้า ลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์สามารถสร้างได้โดยการใช้เฟสของเลนส์ทรงกรวย ดังแสดงในรูปด้านล่าง กับแผงทำงานของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่

วิธีการใช้แอ็กซิคอน: แอ็กซิคอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบการเลี้ยวเบนแบบพาสซีฟที่ทำจากแก้วซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการสร้างลำแสงเบสเซล เมื่อลำแสงเกาส์เซียนตกกระทบและผ่านแอ็กซิคอนในแนวตั้งฉาก การกระจายเฟสของลำแสงจะถูกปรับเปลี่ยน ทำให้กลายเป็นลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์โดยไม่มีการสูญเสียพลังงาน ดังแสดงในรูปด้านล่าง

เนื่องจากต้นทุนต่ำ ใช้งานง่าย และมีค่าความทนทานต่อความเสียหายจากเลเซอร์สูงของเลนส์แอ็กซิคอนแก้ว รวมถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงเป็นพิเศษ เลนส์แอ็กซิคอนจึงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับการสร้างลำแสงเบสเซลแบบพัลส์สั้นพิเศษในด้านการประมวลผลด้วยเลเซอร์ รูปด้านล่างแสดงแผนผังการแคบลงและการส่งผ่านของลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ โดยการปรับกำลังขยายและทิศทางของระบบสร้างภาพ 4f ระยะการแพร่กระจายแบบไม่เลี้ยวเบน มุมครึ่งกรวย และมุมเอียงในทิศทางการแพร่กระจายของลำแสงเบสเซลสามารถควบคุมได้อย่างง่ายดาย

เมื่อลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ที่มีมุมครึ่งกรวย Ɵ1 และระยะการแพร่กระจายแบบปราศจากการเลี้ยวเบน Zmax ผ่านระบบ 4f ที่ประกอบด้วยเลนส์ (L1) และเลนส์วัตถุ (L2) มิติทางเรขาคณิตจะถูกบีบอัดลงอีก การขยายด้านข้างโดยประมาณคือ M=f1/f2=5 และการขยายตามแนวยาวโดยประมาณคือ M2=25 ดังนั้น ภาพสุดท้ายของลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ภายในตัวอย่างสามารถแสดงได้ด้วยพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตดังนี้:

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตของลำแสงเบสเซลที่ฉายภาพภายในตัวอย่างแก้วควอตซ์ภายใต้มุมกรวยและกำลังขยายการบีบอัดลำแสงที่แตกต่างกัน

การกระจายความเข้มของสนามโฟกัสของลำแสงเบสเซล

• r และ z: ส่วนประกอบพิกัดแนวรัศมีและแนวแกน ตามลำดับ
• λ: ความยาวคลื่นกลางของเลเซอร์
• w: 1/e² รัศมีของลำแสงเกาส์เซียนที่ตกกระทบ
• P0: กำลังสูงสุดของเลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษ
• β1: มุมครึ่งกรวยของลำแสงเบสเซลหลังจากการบีบอัดลำแสง
• k: เวกเตอร์คลื่น
• J0: ฟังก์ชันเบสเซลอันดับศูนย์

การกระจายความเข้มของลำแสงเบสเซลลำดับศูนย์ภายในกระจกควอตซ์: ด้านซ้ายแสดงการกระจายความหนาแน่นของกำลังแสงตามทิศทางการแพร่กระจายและมุมมองภาคตัดขวาง และด้านขวาแสดงการกระจายความหนาแน่นของกำลังแสงตามแกนและมุมมองภาคตัดขวาง

2. คุณลักษณะของลำแสงเบสเซลแบบพัลส์เฟมโตวินาทีในกระจกซิลิกาหลอมเหลว

รูป (a) แสดงภาพจุลทรรศน์ของปฏิกิริยาระหว่างลำแสงเบสเซลแบบพัลส์เฟมโตวินาทีกับกระจกซิลิกาหลอมเหลวที่พลังงานพัลส์ต่างกัน ความกว้างของพัลส์เลเซอร์คงที่ที่ 220 เฟมโตวินาที และมุมครึ่งกรวยของลำแสงเบสเซลภายในตัวอย่างคือ 12.4° จะเห็นได้ว่าบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากเลเซอร์มีโครงสร้างเชิงเส้นแบบหนึ่งมิติโดยทั่วไป เมื่อพลังงานพัลส์เลเซอร์น้อยกว่า 9.5 ไมโครจูล ดัชนีหักเหของวัสดุในบริเวณโฟกัสจะเพิ่มขึ้น ปรากฏเป็นบริเวณสีดำในภาพจุลทรรศน์

เมื่อพลังงานพัลส์เลเซอร์เกิน 9.5 μJ ดัชนีหักเหของวัสดุในบริเวณโฟกัสจะลดลง ปรากฏเป็นบริเวณสีขาวในภาพจุลทรรศน์ และความยาวของบริเวณสีขาวจะเพิ่มขึ้นตามพลังงานพัลส์ที่เพิ่มขึ้น จากการขัดตัวอย่าง เราได้สังเกตลักษณะทางสัณฐานวิทยาของบริเวณสีขาวที่พลังงานพัลส์ 15.4 μJ ภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน ดังแสดงในรูป (b) สามารถสรุปได้ว่ามีการก่อตัวของรูพรุนขนาดนาโนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 200 นาโนเมตรในบริเวณที่มีดัชนีหักเหลดลง

จากการใช้ระบบการกัดด้วยลำแสงไอออนและการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนในสถานที่ เราได้ยืนยันการมีอยู่ของนาโนพอเรเพิ่มเติม (ภาพ ค) ดังนั้น เพื่อลดการเกิดข้อบกพร่องที่เกิดจากเลเซอร์ พลังงานพัลส์เดี่ยวไม่ควรเกิน 9.5 ไมโครจูลในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์

3. การสร้างรอยเชื่อมขนาดเล็กคุณภาพสูงระหว่างกระจกซิลิกาหลอมเหลวโดยใช้เลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษแบบเบสเซล

รูป (a) แสดงภาพจุลทรรศน์มองจากด้านบนของพื้นผิวรอยเชื่อมของชิ้นงาน จะเห็นได้ว่าแนวเชื่อมเลเซอร์มีความสม่ำเสมอและเรียบเนียน แม้ว่าจะมีข้อบกพร่องของรูพรุนขนาดเล็กกระจายอยู่บ้างในบริเวณรอยเชื่อม แต่โดยรวมแล้วดีกว่าแนวเชื่อมเลเซอร์แบบเกาส์เซียนอย่างเห็นได้ชัด การวัดแสดงให้เห็นว่าความกว้างของแนวเชื่อมอยู่ที่ประมาณ 18 ไมโครเมตร และระยะห่างระหว่างแนวเชื่อมอยู่ที่ 40 ไมโครเมตร รูป (b) แสดงภาพจุลทรรศน์มองจากด้านข้างของแนวเชื่อมของชิ้นงาน

จะเห็นได้ว่าช่องว่างระหว่างชิ้นงานหายไปอย่างสมบูรณ์หลังจากการประมวลผลด้วยเลเซอร์ และวัสดุบริเวณใกล้รอยต่อได้หลอมรวมเป็นชิ้นเดียวหลังจากผ่านกระบวนการหลอมเหลวและเย็นตัวด้วยความร้อน การวัดแสดงให้เห็นว่าความลึกของบริเวณการหลอมเหลวด้วยความร้อนที่เกิดจากเลเซอร์นั้นสูงถึง 227 ไมโครเมตร ซึ่งบ่งชี้ว่าในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้วยพารามิเตอร์เหล่านี้ ความลึกตามแนวแกนของตำแหน่งโฟกัสสามารถเข้าถึงได้ถึง 227 ไมโครเมตร ซึ่งมากกว่าการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเกาส์เซียนภายใต้เงื่อนไขเดียวกันถึงสี่เท่า

4. หาซื้อเลนส์เบสเซลได้ที่ไหน?

บริษัท Wavelength Opto-Electronic นำเสนอเลนส์เบสเซลคุณภาพสูงที่ใช้ในงานประมวลผลด้วยเลเซอร์ คุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดของระบบเลนส์เบสเซลนี้คือ ความสามารถในการปรับความลึกของโฟกัสของลำแสงขาออกโดยการปรับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงขาเข้า