Интерфейстің екі жағындағы материалдарды бір уақытта балқыту және жоғары беріктікті микроаймақтық байланыс орнату үшін лазерлік фокустық нүкте үлгіге дәл бағытталуы керек, бұл дәнекерлеу жүйесінің өңдеу дәлдігіне қатаң талаптар қояды. Сонымен қатар, фокустағаннан кейін Гаусс сәулесінің үлкен осьтік қарқындылық градиентіне байланысты фокустық өріс температурасы біркелкі емес, бұл лазер әсер еткен аймақта микро және нано-бостық ақаулардың пайда болуына бейім етеді, бұл өз кезегінде үлгінің дәнекерлеу сапасына әсер етеді.
Кеңістіктік жарықты қалыптастыру технологиясын лазердің фокустық өрісінің қарқындылық таралуын оңтайландыру үшін нөлдік ретті Бессель сәулелерін жасау үшін пайдалануға болады. Бұл тәсіл осьтік қарқындылық градиентін азайтады және фокустық қашықтықты кеңейтеді, осылайша лазермен құрылған жылулық әсер аймағының тереңдіктен ендікке қатынасын арттырады. Нәтижесінде, ол лазерлік дәнекерлеу жүйесінің фокустау дәлдігіне қойылатын талаптарды азайтады, дәнекерлеу сапасы мен тиімділігін жақсартады.
1. Дифракцияланбайтын Бессель сәулелерін генерациялау және параметрлерді жобалау
1987 жылы Дурнин алғаш рет нөлдік ретті Бессель сәулесін ұсынды, ол бірегей дифракцияланбайтын қасиеттерді көрсетеді: оның көлденең жарық өрісінің қарқындылығының таралуы таралу кезінде өзгеріссіз қалады, ал орталық дақ мөлшері әрқашан дифракция шегіне жақын болады. Сонымен қатар, Бессель сәулелері таралу кезінде өзін-өзі қалпына келтіру қасиетін де көрсетеді. Орталық дақ бітеліп қалған кезде, айналадағы жарық орталыққа қарай жиналып, орталық дақ «қалпына келтіріледі». Нөлдік ретті Бессель сәулесінің көлденең жарық өрісінің таралуының математикалық өрнегі:
Өрнектегі:
- J0 нөлдік ретті Бессель функциясын білдіреді.
- r және φ сәйкесінше радиалды және бұрыштық координат элементтері болып табылады.
- z – таралу қашықтығы.
- Kr және Kz сәйкесінше көлденең және бойлық толқынвектор элементтері болып табылады.
Нөлдік ретті Бессель арқалығының орталық негізгі нүктесі күшті шектеу қабілетіне ие, бұл TW/см² немесе одан жоғары сәулелену деңгейлерін қамтамасыз етеді, бұл материалдарда сызықтық емес сіңіруді тиімді түрде қоздыруы мүмкін. Ең бастысы, нөлдік ретті Бессель арқалықтарының дифракцияланбайтын таралу сипаттамасы фокустың үлкен тереңдігін және осьтік қарқындылық градиентін кішірек етеді, осылайша біркелкі температура өрісін жасайды және дәнекерлеу ақауларының пайда болуын басады.
Келесі суретте Бессель сәулелері мен Гаусс сәулелерінің фокустық қашықтығын бірдей көлденең шектеу мүмкіндігі кезінде салыстыру көрсетілген. Бессель сәулелері көлденең микрон деңгейіндегі фокустық нүктенің диаметрін сақтай отырып, айтарлықтай фокустық тереңдікке ие.
Нөлдік ретті Бессель арқалықтарын жасаудың бірнеше әдісі бар және келесі үш негізгі әдіс кең таралған:
Сақина тәрізді диафрагма әдісі: Сақина тәрізді диафрагма әдісі, атауынан көрініп тұрғандай, Бессель арқалықтарын алу үшін сақина тәрізді саңылауды пайдалануды қамтиды. Бұл сонымен қатар Бессель арқалықтарын алудың алғашқы сәтті әдісі болды. Төмендегі диаграмма Бессель арқалықтарын алудың сақина тәрізді диафрагма әдісін көрсетеді. Жазық толқын сақина тәрізді саңылауға сол жақтан перпендикуляр түседі және дифракция пайда болады.
Содан кейін оң линза Фурье түрлендіруін орындайды, нәтижесінде линзаның артында Бессель сәулесі пайда болады. Дифракцияланбайтын таралу қашықтығы Zmax сақиналы саңылаудың диаметрі d және линзаның сандық тесігі байланысты.
Бұл әдіс нөлдік ретті Бессель сәулелерін жасай алса да, энергияны түрлендіру тиімділігі өте төмен, бұл оны лазерлік өңдеу салаларында қолдануды қиындатады.
Кеңістіктік жарық модуляторы әдісі: Нөлдік ретті Бессель сәулесін генерациялау процесі, негізінен, сәуленің фазалық таралуын өзгерту процесі болып табылады. Сондықтан, нөлдік ретті Бессель сәулесін кеңістіктік жарық модуляторын пайдаланып та генерациялауға болады. Кеңістіктік жарық модуляторы - жарық өрісінің қарқындылығын және электр сигналдары арқылы фазалық таралуын басқаратын оптоэлектрондық модуляция құрылғысының бір түрі. Нөлдік ретті Бессель сәулесін төмендегі суретте көрсетілгендей, кеңістіктік жарық модуляторының жұмыс панеліне конустық линза фазасын қолдану арқылы генерациялауға болады.
Аксикон әдісі: Аксикон - Бессель сәулелерін генерациялау үшін ең көп қолданылатын пассивті шыны негізіндегі дифракциялық элементтердің бірі. Гаусс сәулесі аксиконға әдетте түсіп, ол арқылы өткенде, оның фазалық таралуы модуляцияланады, бұл оны төмендегі суретте көрсетілгендей энергия шығынынсыз нөлдік ретті Бессель сәулесіне айналдырады.
Шыны аксикондарының арзандығына, пайдаланудың қарапайымдылығына және лазерлік зақымдану шегінің жоғары болуына, сондай-ақ олардың ерекше жоғары энергияны пайдалану тиімділігіне байланысты аксикондар лазерлік өңдеу саласында ультрақысқа импульсті Бессель сәулелерін генерациялаудың негізгі таңдауы болып табылады. Төмендегі суретте нөлдік ретті Бессель сәулесінің сәулесінің тарылуы мен өткізілуінің схемасы көрсетілген. 4f бейнелеу жүйесінің үлкейтуі мен бағытын реттеу арқылы Бессель сәулесінің таралу бағытындағы дифракциялық емес таралу қашықтығын, жартылай конус бұрышын және еңкейу бұрышын оңай басқаруға болады.
Жартылай конус бұрышы Ɵ1 және дифракциясыз таралу қашықтығы Zmax болатын нөлдік ретті Бессель сәулесі линзадан (L1) және объектив линзадан (L2) тұратын 4f жүйесінен өткенде, геометриялық өлшемдер одан әрі қысылады. Бүйірлік үлкейту шамамен M=f1/f2=5, ал бойлық үлкейту шамамен M2=25 құрайды. Осылайша, үлгі ішіндегі нөлдік ретті Бессель сәулесінің соңғы бейнесін геометриялық параметрлермен көрсетуге болады:
Кварц шыны үлгісінің ішінде әртүрлі конус бұрыштары мен сәуленің сығымдалу үлкейтулері кезінде бейнеленген Бессель сәулесінің геометриялық параметрлері.
| осьтік шың бұрышы α (°) | Кіріс сәулесінің радиусы d(мм) | (мм) | M=f1/f2 | Ɵ2 (°) | Zmax2 | |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 20 | 3.1 | 3504 | 10.04 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 30 | 4.7 | 1555 ж. | 6.7 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 40 | 6.2 | 873 | 5.02 |
| 0,5 | 3.8 | 1.03 | 50 | 7.8 | 558 | 4.02 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 20 | 6.2 | 1747 ж. | 5.02 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 30 | 9.3 | 772 | 3.36 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 40 | 12.4 | 432 | 2.52 |
| 1 | 3.8 | 1.03 | 50 | 15.5 | 274 | 2.04 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 20 | 15.5 | 684 | 2.04 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 30 | 23.3 | 294 | 1.38 |
| 2.5 | 3.8 | 1.03 | 40 | 38.83 | 94.4 | 0,86 |
Бессель сәулесінің фокус өрісінің қарқындылығының таралуы
- r және z: сәйкесінше радиалды және осьтік координат компоненттері.
- λ: Лазердің орталық толқын ұзындығы.
- w: түсетін Гаусс сәулесінің 1/e² радиусы.
- P0: Өте қысқа импульсті лазердің ең жоғары қуаты.
- β1: Сәуле сығылғаннан кейінгі Бессель сәулесінің жартылай конус бұрышы.
- k: Толқын векторы.
- J0: Нөлдік ретті Бессель функциясы.
Кварц шынысының ішіндегі нөлдік ретті Бессель сәулесінің қарқындылық таралуы: Сол жақта таралу бағыты бойынша оптикалық қуат тығыздығының таралуы және көлденең қима көрінісі, ал оң жақта ось бойымен оптикалық қуат тығыздығының таралуы және көлденең қима көрінісі орналасқан.
2. Балқытылған кремнийлі шыныдағы фемтосекундтық импульстік бессель сәулесінің сипаттамалары
(a) суретте фемтосекундтық импульстік Бессель сәулелері мен балқытылған кремний диоксиді шынысының әртүрлі импульстік энергиялардағы өзара әрекеттесуінің микрографтары көрсетілген. Лазер импульсінің ені 220 фс жылдамдықпен бекітілген, ал үлгі ішіндегі Бессель сәулесінің жартылай конус бұрышы 12,4° құрайды. Лазер әсер еткен аймақтың типтік бір өлшемді сызықтық құрылымды көрсететінін байқауға болады. Лазер импульсінің энергиясы 9,5 мкДж-ден аз болған кезде, фокальды аймақтағы материалдың сыну көрсеткіші артады, микрографта қара аймақ ретінде көрінеді.
Лазер импульстік энергиясы 9,5 мкДж-ден асқан кезде, фокальды аймақтағы материалдың сыну көрсеткіші төмендейді, микрографта ақ аймақ ретінде көрінеді, ал ақ аймақтың ұзындығы импульстік энергияның артуымен артады. Үлгіні жылтырату арқылы біз сканерлейтін электронды микроскоп астында 15,4 мкДж импульстік энергияда ақ аймақтың морфологиялық сипаттамаларын байқадық, бұл (b) суретте көрсетілген. Сыну көрсеткіші төмендеген аймақта диаметрі шамамен 200 нм болатын нанокеуек пайда болады деген қорытынды жасауға болады.
Иондық сәулемен өңдеу және in-situ сканерлеуші электронды микроскоптық бақылау жүйелері арқылы біз нанокеуектің бар екенін тағы да растадық (c-сурет). Сондықтан, лазерлік дәнекерлеу кезіндегі бір импульстік энергия 9,5 мкДж-ден аспауы керек.
3. Bessel ультрақысқа импульстік лазерін қолдана отырып, балқытылған кремнийлі әйнектердің арасында жоғары сапалы микродәнекерлеуге қол жеткізу.
(а) суретте үлгінің дәнекерлеу бетінің жоғарғы көрінісіндегі микрографиясы көрсетілген. Лазерлік дәнекерлеу сызығының біркелкі және тегіс екенін көруге болады. Дәнекерленген аймақта кездейсоқ таралған бірнеше микрокеуекті ақаулар әлі де болса, жалпы алғанда, ол Гаусс лазерлік дәнекерлеу сызығына қарағанда айтарлықтай жақсы. Өлшеулер дәнекерлеу сызығының ені шамамен 18 мкм, ал дәнекерлеу сызықтары арасындағы қашықтық 40 мкм екенін көрсетеді. (b) суретте үлгінің дәнекерлеу сызығының бүйірлік көрінісіндегі микрографиясы көрсетілген.
Лазерлік өңдеуден кейін үлгілер арасындағы алшақтық толығымен жоғалып кететінін және беткі қабатқа жақын материал термиялық балқыту-салқындату процесінен өткеннен кейін біртұтас затқа бірігіп кеткенін көруге болады. Өлшеулер лазердің әсерінен термиялық балқыту аймағының тереңдігі 227 мкм-ге дейін жететінін көрсетеді. Бұл осы параметрлермен лазерлік дәнекерлеу кезінде фокустық позицияның осьтік тереңдігі 227 мкм-ге дейін жетуі мүмкін екенін көрсетеді, бұл дәл осындай жағдайларда Гаусс лазерлік дәнекерлеуінен төрт есе көп.
4. Bessel линзаларын қайдан сатып алуға болады?
Wavelength Opto-Electronic лазерлік өңдеу қолданбаларында қолданылатын жоғары сапалы Bessel линзаларын ұсынады. Кіріс сәулесінің диаметрінің өлшемін реттеу арқылы шығыс сәулесінің фокус тереңдігін реттеу мүмкіндігі - бұл Bessel сәулесінің оптикалық жүйесінің ең тартымды ерекшелігі.
| Бөлшек № | Толқын ұзындығы (нм) | Жұмыс қашықтығы (мм) | Максималды кіріс сәулесінің диаметрі (мм) | Фокустың жобаланған тереңдігі (мм) | Жалпы ұзындығы (мм) |
|---|---|---|---|---|---|
| BESL-355-D10-T1 | 355 | 15.50 | 10 | 1.0 | 377.00 |
| BESL-532-10-D10 | 532 | 11.86 | 10 | 1.5 | 202.84 |
| BESL-1064-D10-T2 | 1064 | 10.80 | 10 | 2.0 | 238.00 |
| BESL-1064-D20-T12 | 1064 | 15.00 | 20 | 12.0 | 315.05 |
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 10 қазан