Зайны хоёр талын материалыг нэгэн зэрэг хайлуулж, өндөр бат бэхтэй бичил бүсийн холбоо тогтоохын тулд лазерын фокусын цэгийг дээжинд яг нарийн төвлөрүүлэх ёстой бөгөөд энэ нь гагнуурын системийн боловсруулалтын нарийвчлалд хатуу шаардлага тавьдаг. Нэмж дурдахад, фокусласны дараа Гауссын цацрагийн тэнхлэгийн эрчимжилтийн градиент их байдаг тул фокусын талбайн температур жигд бус байдаг тул лазерын нөлөөлөлд өртсөн хэсэгт бичил болон нано хоосон согог үүсэх хандлагатай байдаг бөгөөд энэ нь эргээд дээжийн гагнуурын чанарт нөлөөлдөг.
Лазерын фокусын талбайн эрчимжилтийн тархалтыг оновчтой болгохын тулд орон зайн гэрлийн хэлбэржүүлэх технологийг тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг үүсгэхэд ашиглаж болно. Энэ арга нь тэнхлэгийн эрчимжилтийн градиентийг бууруулж, фокусын уртыг уртасгаж, улмаар лазерын үүсгэсэн дулааны эффектийн бүсийн гүн-өргөний харьцааг нэмэгдүүлдэг. Үүний үр дүнд лазер гагнуурын системийн фокусын нарийвчлалын шаардлагыг бууруулж, гагнуурын чанар болон үр ашгийг сайжруулдаг.
1. Дифракцгүй Бессель цацрагийн үүсэл ба параметрийн загвар
1987 онд Дурнин анх тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийг санал болгосон бөгөөд энэ нь өвөрмөц дифракцгүй шинж чанарыг харуулдаг: түүний хөндлөн гэрлийн талбайн эрчимжилтийн тархалт нь тархалтын үед өөрчлөгдөөгүй хэвээр байгаа бөгөөд төв цэгийн хэмжээ нь үргэлж дифракцийн хязгаарт ойрхон байдаг. Нэмж дурдахад, Бесселийн цацраг нь тархалтын үед өөрийгөө эдгээх шинж чанарыг харуулдаг. Төв цэг бөглөрсөн үед хүрээлэн буй гэрэл төв рүү нийлж, төв цэгийг "засдаг". Тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийн хөндлөн гэрлийн талбайн тархалтын математик илэрхийлэл нь:
Илэрхийлэлд:
- J0 нь тэг эрэмбийн Бесселийн функцийг илэрхийлнэ.
- r ба φ нь тус тус радиаль ба өнцгийн координатын элементүүд юм.
- z нь тархалтын зай юм.
- Kr ба Kz нь тус тус хөндлөн ба уртааш долгионы векторын элементүүд юм.
Тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийн төв гол цэг нь хүчтэй хязгаарлах чадвартай бөгөөд TW/см² буюу түүнээс дээш цацрагийн түвшинг зөвшөөрдөг бөгөөд энэ нь материалд шугаман бус шингээлтийг үр дүнтэй өдөөж чаддаг. Хамгийн чухал нь тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийн дифракцгүй тархалтын шинж чанар нь фокусын гүнийг ихэсгэж, тэнхлэгийн эрчимжилтийн градиентийг багасгаж, улмаар бараг жигд температурын талбар үүсгэж, гагнуурын согог үүсэхийг дарангуйлдаг.
Дараах зурагт Бесселийн цацраг болон Гауссын цацрагийн фокусын уртыг ижил хөндлөн хязгаарлах чадварын дор харьцуулсан болно. Бесселийн цацраг нь хөндлөн микрон түвшний фокусын цэгийн диаметрийг хадгалахын зэрэгцээ фокусын мэдэгдэхүйц гүнтэй байдаг.
Тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг үүсгэх хэд хэдэн арга байдаг бөгөөд дараах гурван үндсэн арга түгээмэл байдаг.
Цагираг хэлбэрийн апертурын арга: Нэрнээс нь харахад цагираг хэлбэрийн апертурын арга нь Бесселийн дам нурууг үйлдвэрлэхийн тулд цагираг хэлбэрийн завсар ашиглахыг хэлнэ. Энэ нь мөн Бесселийн дам нурууг үүсгэх анхны амжилттай арга байв. Доорх диаграммд Бесселийн дам нурууг үүсгэх цагираг хэлбэрийн апертурын аргыг харуулав. Хавтгай долгион зүүн талаас цагираг хэлбэрийн завсар дээр перпендикуляр тусч, дифракци үүсдэг.
Үүний дараа эерэг линз нь Фурье хувиргалтыг гүйцэтгэж, линзний ард Бесселийн цацраг үүсдэг. Дифракцгүй тархалтын зай Zmax нь цагираг хэлбэртэй завсарлагааны диаметр d болон линзний тоон нүхтэй холбоотой.
Энэ арга нь тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг үүсгэж чаддаг ч энерги хувиргалтын үр ашиг маш бага тул лазер боловсруулах салбарт хэрэглэхэд хэцүү болгодог.
Орон зайн гэрлийн модуляторын арга: Тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг үүсгэх үйл явц нь үндсэндээ цацрагийн фазын тархалтыг өөрчлөх үйл явц юм. Тиймээс тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийг орон зайн гэрлийн модулятор ашиглан үүсгэж болно. Орон зайн гэрлийн модулятор нь гэрлийн талбайн эрчим ба фазын тархалтыг цахилгаан дохиогоор хянадаг оптоэлектроник модуляцийн төхөөрөмжийн нэг төрөл юм. Доорх зурагт үзүүлсэн шиг конус линзний фазыг орон зайн гэрлийн модуляторын ажлын самбарт түрхэж тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг үүсгэж болно.
Аксикон арга: Аксикон нь Бесселийн цацраг үүсгэхэд хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг идэвхгүй шилэн дээр суурилсан дифракцийн элементүүдийн нэг юм. Гауссын цацраг нь аксикон дээр хэвийн тусаж, түүгээр дамжин өнгөрөхөд түүний фазын тархалтыг модуляцлаж, доорх зурагт үзүүлсэн шиг энергийн алдагдалгүйгээр тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг болгон хувиргадаг.
Шилэн аксиконуудын өртөг бага, хэрэглэхэд хялбар, лазерын гэмтлийн босго өндөр, мөн онцгой өндөр эрчим хүчний хэрэглээний үр ашгаас шалтгаалан аксиконууд нь лазер боловсруулалтын салбарт хэт богино импульсийн Бесселийн цацраг үүсгэх гол сонголт юм. Доорх зурагт тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийн нарийсалт ба дамжуулалтын схемийг харуулав. 4f дүрслэлийн системийн томруулалт ба чиглэлийг тохируулснаар Бесселийн цацрагийн тархалтын чиглэлд дифракцийн бус тархалтын зай, хагас конусын өнцөг, хазайлтын өнцгийг хялбархан хянаж болно.
Хагас конусын өнцөг Ɵ1 ба дифракцгүй тархалтын зай Zmax бүхий тэг эрэмбийн Бесселийн цацраг нь линз (L1) ба объектив линз (L2)-ээс бүрдсэн 4f системээр дамжин өнгөрөхөд геометрийн хэмжээсүүд цаашид шахагдана. Хажуугийн томруулалт нь ойролцоогоор M=f1/f2=5, уртааш томруулалт нь ойролцоогоор M2=25 байна. Тиймээс дээж доторх тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийн эцсийн дүрслэлийг геометрийн параметрүүдээр илэрхийлж болно:
Кварц шилэн дээж дотор янз бүрийн конусын өнцөг болон цацрагийн шахалтын томруулалтын дор дүрслэгдсэн Бесселийн цацрагийн геометрийн параметрүүд.
| тэнхлэгийн оройн өнцөг α (°) | Оролтын цацрагийн радиус 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 он | 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 он | 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 |
Бесселийн цацрагийн фокусын талбайн эрчимжилтийн тархалт
- r ба z: Радиаль ба тэнхлэгийн координатын бүрэлдэхүүн хэсгүүд тус тус.
- λ: Лазерын төвийн долгионы урт.
- w: тусах Гауссын цацрагийн 1/e² радиус.
- P0: Хэт богино импульсийн лазерын оргил хүч.
- β1: Цацраг шахагдсаны дараах Бесселийн цацрагийн хагас конусын өнцөг.
- k: Долгионы вектор.
- J0: Тэг эрэмбийн Бесселийн функц.
Кварц шилэн доторх тэг эрэмбийн Бесселийн цацрагийн эрчимийн тархалт: Зүүн талд нь тархалтын чиглэлийн дагуух оптик чадлын нягтралын тархалт ба хөндлөн огтлолын харагдац, баруун талд нь тэнхлэгийн дагуух оптик чадлын нягтралын тархалт ба хөндлөн огтлолын харагдац байна.
2. Хайлсан цахиурын шилэн дэх фемтосекундын импульсийн бессел цацрагийн шинж чанар
Зураг (a)-д фемтосекундын импульсийн Бесселийн цацраг болон хайлсан цахиурын шилний харилцан үйлчлэлийн микрографуудыг өөр өөр импульсийн энерги дээр харуулав. Лазерын импульсийн өргөн нь 220 фс-т тогтмол бөгөөд дээж доторх Бесселийн цацрагийн хагас конусын өнцөг нь 12.4° байна. Лазерын нөлөөлөлд өртсөн хэсэг нь ердийн нэг хэмжээст шугаман бүтэцтэй болохыг ажиглаж болно. Лазерын импульсийн энерги 9.5 μJ-ээс бага байх үед фокусын хэсэг дэх материалын хугарлын илтгэгч нэмэгдэж, микрограф дээр хар хэсэг хэлбэрээр харагдана.
Лазерын импульсийн энерги 9.5 μJ-ээс хэтэрсэн үед фокусын бүс дэх материалын хугарлын илтгэгч буурч, микрографт цагаан бүс хэлбэрээр гарч ирэх бөгөөд импульсийн энерги нэмэгдэхийн хэрээр цагаан бүсийн урт нэмэгддэг. Дээжийг өнгөлснөөр бид Зураг (b)-д үзүүлсэн шиг сканнердах электрон микроскопоор 15.4 μJ импульсийн энерги дээр цагаан бүсийн морфологийн шинж чанарыг ажигласан. Хугарлын илтгэгч буурсан бүсэд ойролцоогоор 200 нм диаметртэй нано нүх үүсдэг гэж дүгнэж болно.
Ионы цацрагийн сийлбэр болон in-situ сканнердах электрон микроскопын ажиглалтын системээр дамжуулан бид нано нүх сүв байгааг баталгаажуулсан (Зураг c). Тиймээс лазерын нөлөөгөөр үүсэх согогийг багасгахын тулд лазер гагнуурын үед нэг импульсийн энерги 9.5 μJ-ээс хэтрэхгүй байх ёстой.
3. Бессел хэт богино импульсийн лазер ашиглан хайлуулсан цахиурын шилний хооронд өндөр чанартай бичил гагнуур хийх.
Зураг (a) нь дээжийн гагнуурын гадаргуугийн дээд талын микрографыг харуулж байна. Лазерын гагнуурын шугам жигд, гөлгөр байгааг харж болно. Гагнасан хэсэгт санамсаргүй байдлаар тархсан цөөн хэдэн микро нүх сүвний согог хэвээр байгаа ч ерөнхийдөө энэ нь Гауссын лазерын гагнуурын шугамаас хамаагүй дээр байна. Хэмжилтүүдээс харахад гагнуурын шугамын өргөн ойролцоогоор 18 μм, гагнуурын шугамын хоорондох зай 40 μм байна. Зураг (b) нь дээжийн гагнуурын шугамын хажуугийн микрографыг харуулж байна.
Лазер боловсруулалтын дараа дээжийн хоорондох зай бүрэн арилж, интерфэйсийн ойролцоох материал нь дулааны хайлах хөргөлтийн процесст орсны дараа нэг зүйл болж нийлсэн болохыг харж болно. Хэмжилтүүдээс харахад лазерын өдөөгдсөн дулааны хайлах хэсгийн гүн 227 μм хүртэл хүрдэг. Энэ нь эдгээр параметрүүдтэй лазер гагнуурын үед фокусын байрлалын тэнхлэгийн гүн 227 μм хүртэл хүрч болох бөгөөд энэ нь ижил нөхцөлд Гауссын лазер гагнуураас дөрөв дахин их байгааг харуулж байна.
4. Бессел линзийг хаанаас худалдаж авах вэ?
Wavelength Opto-Electronic нь лазер боловсруулалтын хэрэглээнд ашиглагддаг өндөр чанартай Bessel линзийг санал болгодог. Оролтын цацрагийн диаметрийн хэмжээг тохируулах замаар гаралтын цацрагийн фокусын гүнийг тохируулах боломжтой байдал нь энэхүү Bessel цацрагийн оптик системийн хамгийн сэтгэл татам онцлог юм.
| Хэсгийн дугаар | Долгионы урт (нм) | Ажлын зай (мм) | Оролтын хамгийн их цацрагийн диаметр (мм) | Фокусын тооцоолсон гүн (мм) | Нийт урт (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 |
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 10-р сарын 10