બેસલ બીમ ડિઝાઇન પદ્ધતિઓ

ઇન્ટરફેસની બંને બાજુઓ પરની સામગ્રીને એકસાથે ઓગાળવા અને ઉચ્ચ-શક્તિવાળા માઇક્રો-રિજન બોન્ડ સ્થાપિત કરવા માટે, લેસર ફોકલ પોઇન્ટ ચોક્કસ રીતે નમૂના પર કેન્દ્રિત હોવું જોઈએ, જે વેલ્ડીંગ સિસ્ટમની પ્રક્રિયા ચોકસાઈ પર કડક માંગણીઓ લાદે છે. વધુમાં, ફોકસ કર્યા પછી ગૌસીયન બીમના મોટા અક્ષીય તીવ્રતા ઢાળને કારણે, ફોકલ ફિલ્ડ તાપમાન અસમાન હોય છે, જે લેસર-અસરગ્રસ્ત પ્રદેશમાં માઇક્રો- અને નેનો-વોઇડ ખામીઓ બનાવવાનું જોખમ બનાવે છે, જે બદલામાં નમૂનાની વેલ્ડીંગ ગુણવત્તાને અસર કરે છે.

લેસર ફોકલ ફિલ્ડના તીવ્રતા વિતરણને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમ જનરેટ કરવા માટે અવકાશી પ્રકાશ આકાર આપતી ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આ અભિગમ અક્ષીય તીવ્રતા ઢાળ ઘટાડે છે અને ફોકલ લંબાઈને વિસ્તૃત કરે છે, જેનાથી લેસર દ્વારા રચાયેલા થર્મલ અસર ક્ષેત્રના ઊંડાઈ-થી-પહોળાઈ ગુણોત્તરમાં વધારો થાય છે. પરિણામે, તે લેસર વેલ્ડીંગ સિસ્ટમની ફોકસિંગ ચોકસાઈ આવશ્યકતાઓને ઘટાડે છે, વેલ્ડીંગ ગુણવત્તા અને કાર્યક્ષમતા બંનેમાં સુધારો કરે છે.

૧. બિન-વિભાજીત બેસલ બીમનું ઉત્પાદન અને પરિમાણ ડિઝાઇન

૧૯૮૭ માં, ડર્નિને સૌપ્રથમ શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો, જે અનન્ય બિન-વિવર્તનશીલ ગુણધર્મો દર્શાવે છે: પ્રચાર દરમિયાન તેનું ત્રાંસી પ્રકાશ ક્ષેત્ર તીવ્રતા વિતરણ યથાવત રહે છે, અને કેન્દ્રીય સ્થળનું કદ હંમેશા વિવર્તન મર્યાદાની નજીક હોય છે. વધુમાં, બેસલ બીમ પણ પ્રચાર દરમિયાન સ્વ-હીલિંગ ગુણધર્મ દર્શાવે છે. જ્યારે કેન્દ્રીય સ્થળ અવરોધાય છે, ત્યારે આસપાસનો પ્રકાશ કેન્દ્ર તરફ એકત્ર થશે અને કેન્દ્રિય સ્થળને "સમારકામ" કરશે. શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમના ત્રાંસી પ્રકાશ ક્ષેત્ર વિતરણ માટે ગાણિતિક અભિવ્યક્તિ છે:

અભિવ્યક્તિમાં:

• J0 શૂન્ય-ક્રમ બેસલ ફંક્શનનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.
• r અને φ અનુક્રમે રેડિયલ અને કોણીય સંકલન તત્વો છે.
• z એ પ્રસાર અંતર છે.
• Kr અને Kz અનુક્રમે ત્રાંસી અને રેખાંશિક તરંગવેક્ટર તત્વો છે.

શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમના કેન્દ્રિય મુખ્ય સ્થાનમાં મજબૂત બંધન ક્ષમતા હોય છે, જે TW/cm² અથવા તેથી વધુના ક્રમના ઇરેડિયેશન સ્તરને મંજૂરી આપે છે, જે સામગ્રીમાં બિન-રેખીય શોષણને અસરકારક રીતે ઉત્તેજિત કરી શકે છે. વધુ અગત્યનું, શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમની બિન-વિવર્તનશીલ પ્રસાર લાક્ષણિકતા ફોકસની મોટી ઊંડાઈ અને નાની અક્ષીય તીવ્રતા ઢાળ પ્રદાન કરે છે, આમ લગભગ સમાન તાપમાન ક્ષેત્ર બનાવે છે અને વેલ્ડીંગ ખામીઓની રચનાને દબાવી દે છે.

નીચે આપેલ આકૃતિ સમાન ટ્રાંસવર્સ કન્ફાઇનમેન્ટ ક્ષમતા હેઠળ બેસલ બીમ અને ગૌસીયન બીમની ફોકલ લંબાઈની સરખામણી દર્શાવે છે. બેસલ બીમમાં ટ્રાંસવર્સ માઇક્રોન-સ્તરનો ફોકલ સ્પોટ વ્યાસ જાળવી રાખીને ફોકસની નોંધપાત્ર ઊંડાઈ હોય છે.

શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરવાની ઘણી પદ્ધતિઓ છે, અને નીચેની ત્રણ મુખ્ય પદ્ધતિઓ સામાન્ય છે:

વલયાકાર છિદ્ર પદ્ધતિ: નામ સૂચવે છે તેમ, વલયાકાર છિદ્ર પદ્ધતિમાં બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરવા માટે વલયાકાર સ્લિટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરવા માટેની આ પહેલી સફળ પદ્ધતિ પણ હતી. નીચેનો આકૃતિ બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરવા માટે વલયાકાર છિદ્ર પદ્ધતિ દર્શાવે છે. એક સમતલ તરંગ ડાબી બાજુથી વલયાકાર સ્લિટ પર કાટખૂણે આપાત થાય છે અને વિવર્તન થાય છે.

ત્યારબાદ, એક પોઝિટિવ લેન્સ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ કરે છે, જેના પરિણામે લેન્સની પાછળ બેસલ બીમ બને છે. બિન-વિભાજક પ્રસાર અંતર Zmax ​વલયાકાર સ્લિટના વ્યાસ d અને લેન્સના સંખ્યાત્મક છિદ્ર સાથે સંબંધિત છે.

જોકે આ પદ્ધતિ શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરી શકે છે, ઊર્જા રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા અત્યંત ઓછી છે, જેના કારણે લેસર પ્રોસેસિંગ ક્ષેત્રોમાં તેનો ઉપયોગ કરવો મુશ્કેલ બને છે.

સ્પેશિયલ લાઇટ મોડ્યુલેટર પદ્ધતિ: શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા એ મૂળભૂત રીતે બીમના તબક્કા વિતરણમાં ફેરફાર કરવાની પ્રક્રિયા છે. તેથી, સ્પેશિયલ લાઇટ મોડ્યુલેટરનો ઉપયોગ કરીને શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમ પણ જનરેટ કરી શકાય છે. સ્પેશિયલ લાઇટ મોડ્યુલેટર એ એક પ્રકારનું ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક મોડ્યુલેશન ડિવાઇસ છે જે વિદ્યુત સંકેતો દ્વારા પ્રકાશ ક્ષેત્રની તીવ્રતા અને તબક્કા વિતરણને નિયંત્રિત કરે છે. નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્પેશિયલ લાઇટ મોડ્યુલેટરના કાર્યકારી પેનલ પર શંકુ લેન્સ તબક્કાને લાગુ કરીને શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમ જનરેટ કરી શકાય છે.

એક્સિકોન પદ્ધતિ: એક્સિકોન એ બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરવા માટે સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતા નિષ્ક્રિય કાચ-આધારિત વિવર્તક તત્વોમાંનું એક છે. જ્યારે ગૌસીયન બીમ સામાન્ય રીતે એક્સિકોન પર આપાત થાય છે અને તેમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તેનું તબક્કા વિતરણ મોડ્યુલેટ થાય છે, જે તેને કોઈપણ ઉર્જા નુકશાન વિના શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમમાં રૂપાંતરિત કરે છે, જેમ કે નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે.

ગ્લાસ એક્સિકન્સની ઓછી કિંમત, ઉપયોગમાં સરળતા અને ઉચ્ચ લેસર નુકસાન થ્રેશોલ્ડ, તેમજ તેમની અપવાદરૂપે ઉચ્ચ ઉર્જા ઉપયોગ કાર્યક્ષમતાને કારણે, એક્સિકન્સ લેસર પ્રોસેસિંગના ક્ષેત્રમાં અલ્ટ્રાશોર્ટ પલ્સ બેસલ બીમ ઉત્પન્ન કરવા માટે પ્રાથમિક પસંદગી છે. નીચે આપેલ આકૃતિ શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમના બીમ સાંકડા અને ટ્રાન્સમિશનની યોજના દર્શાવે છે. 4f ઇમેજિંગ સિસ્ટમના મેગ્નિફિકેશન અને ઓરિએન્ટેશનને સમાયોજિત કરીને, બેસલ બીમના પ્રચાર દિશામાં બિન-વિવર્તનશીલ પ્રચાર અંતર, અર્ધ-શંકુ કોણ અને ઝુકાવ કોણ સરળતાથી નિયંત્રિત કરી શકાય છે.

જ્યારે શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમ, જેનો અર્ધ-શંકુ કોણ Ɵ1 છે અને Zmax નું વિવર્તન-મુક્ત પ્રચાર અંતર 4f સિસ્ટમમાંથી પસાર થાય છે, જે લેન્સ (L1) અને ઓબ્જેક્ટિવ લેન્સ (L2) થી બનેલું છે, ત્યારે ભૌમિતિક પરિમાણો વધુ સંકુચિત થશે. બાજુનું વિસ્તરણ આશરે M=f1/f2=5 છે, અને રેખાંશ વિસ્તરણ આશરે M2=25 છે. આમ, નમૂનાની અંદર શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમની અંતિમ છબી ભૌમિતિક પરિમાણો દ્વારા રજૂ કરી શકાય છે:

બેસલ બીમના ભૌમિતિક પરિમાણો, વિવિધ શંકુ ખૂણાઓ અને બીમ કમ્પ્રેશન મેગ્નિફિકેશન હેઠળ ક્વાર્ટઝ ગ્લાસ નમૂનાની અંદર છબીકૃત.

બેસલ બીમનું ફોકસ ક્ષેત્ર તીવ્રતા વિતરણ

• r અને z: અનુક્રમે રેડિયલ અને અક્ષીય સંકલન ઘટકો.
• λ: લેસરની મધ્ય તરંગલંબાઇ.
• w: ઘટના ગૌસીયન બીમની 1/e² ત્રિજ્યા.
• P0: અલ્ટ્રાશોર્ટ પલ્સ લેસરની ટોચની શક્તિ.
• β1: બીમ કમ્પ્રેશન પછી બેસલ બીમનો અર્ધ-શંકુ કોણ.
• k: વેવ વેક્ટર.
• J0: શૂન્ય-ક્રમ બેસલ ફંક્શન.

ક્વાર્ટઝ ગ્લાસની અંદર શૂન્ય-ક્રમ બેસલ બીમનું તીવ્રતા વિતરણ: ડાબી બાજુએ પ્રચાર દિશા અને ક્રોસ-સેક્શનલ વ્યૂ સાથે ઓપ્ટિકલ પાવર ડેન્સિટી વિતરણ છે, અને જમણી બાજુએ ધરી અને ક્રોસ-સેક્શનલ વ્યૂ સાથે ઓપ્ટિકલ પાવર ડેન્સિટી વિતરણ છે.

2. ફ્યુઝ્ડ સિલિકા ગ્લાસમાં ફેમટોસેકન્ડ પલ્સ બેસલ બીમની લાક્ષણિકતાઓ

આકૃતિ (a) વિવિધ પલ્સ ઊર્જા પર ફેમ્ટોસેકન્ડ પલ્સ બેસલ બીમ અને ફ્યુઝ્ડ સિલિકા ગ્લાસ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના માઇક્રોગ્રાફ્સ દર્શાવે છે. લેસર પલ્સ પહોળાઈ 220 fs પર નિશ્ચિત છે, અને નમૂનાની અંદર બેસલ બીમનો અર્ધ-શંકુ કોણ 12.4° છે. તે જોઈ શકાય છે કે લેસર-અસરગ્રસ્ત પ્રદેશ એક લાક્ષણિક એક-પરિમાણીય રેખીય માળખું દર્શાવે છે. જ્યારે લેસર પલ્સ ઊર્જા 9.5 μJ કરતા ઓછી હોય છે, ત્યારે ફોકલ પ્રદેશમાં સામગ્રીનો રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ વધે છે, જે માઇક્રોગ્રાફમાં કાળા પ્રદેશ તરીકે દેખાય છે.

જ્યારે લેસર પલ્સ એનર્જી 9.5 μJ થી વધી જાય છે, ત્યારે ફોકલ પ્રદેશમાં સામગ્રીનો રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ ઘટે છે, જે માઇક્રોગ્રાફમાં સફેદ પ્રદેશ તરીકે દેખાય છે, અને સફેદ પ્રદેશની લંબાઈ વધતી જતી પલ્સ એનર્જી સાથે વધે છે. નમૂનાને પોલિશ કરીને, અમે આકૃતિ (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ હેઠળ 15.4 μJ ની પલ્સ એનર્જી પર સફેદ પ્રદેશની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓનું અવલોકન કર્યું. એવું નિષ્કર્ષ પર આવી શકે છે કે ઘટાડેલા રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સવાળા પ્રદેશમાં આશરે 200 nm વ્યાસ ધરાવતો નેનોપોર રચાય છે.

આયન બીમ એચિંગ અને ઇન-સીટુ સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ અવલોકન પ્રણાલીઓ દ્વારા, અમે નેનોપોરની હાજરીની પુષ્ટિ કરી (આકૃતિ c). તેથી, લેસર-પ્રેરિત ખામીઓના ઉત્પાદનને ઘટાડવા માટે, લેસર વેલ્ડીંગ દરમિયાન સિંગલ પલ્સ ઊર્જા 9.5 μJ થી વધુ ન હોવી જોઈએ.

3. બેસલ અલ્ટ્રાશોર્ટ પલ્સ લેસરનો ઉપયોગ કરીને ફ્યુઝ્ડ સિલિકા ચશ્મા વચ્ચે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા માઇક્રો-વેલ્ડિંગ પ્રાપ્ત કરવા.

આકૃતિ (a) નમૂનાની વેલ્ડીંગ સપાટીનો ટોચનો દૃશ્ય માઇક્રોગ્રાફ દર્શાવે છે. તે જોઈ શકાય છે કે લેસર વેલ્ડ લાઇન એકસમાન અને સરળ છે. વેલ્ડેડ વિસ્તારમાં હજુ પણ થોડા રેન્ડમલી વિતરિત માઇક્રોપોર ખામીઓ હોવા છતાં, એકંદરે, તે ગૌસીયન લેસર વેલ્ડ લાઇન કરતાં નોંધપાત્ર રીતે સારી છે. માપ દર્શાવે છે કે વેલ્ડ લાઇનની પહોળાઈ આશરે 18 μm છે, અને વેલ્ડ લાઇન વચ્ચેનું અંતર 40 μm છે. આકૃતિ (b) નમૂનાની વેલ્ડ લાઇનનો સાઇડ-વ્યૂ માઇક્રોગ્રાફ દર્શાવે છે.

તે જોઈ શકાય છે કે લેસર પ્રક્રિયા પછી નમૂનાઓ વચ્ચેનું અંતર સંપૂર્ણપણે અદૃશ્ય થઈ જાય છે, અને ઇન્ટરફેસની નજીકની સામગ્રી થર્મલ મેલ્ટિંગ-કૂલિંગ પ્રક્રિયામાંથી પસાર થયા પછી એક જ એન્ટિટીમાં ભળી જાય છે. માપન દર્શાવે છે કે લેસર-પ્રેરિત થર્મલ મેલ્ટિંગ ક્ષેત્રની ઊંડાઈ 227 μm સુધી પહોંચે છે. આ સૂચવે છે કે આ પરિમાણો સાથે લેસર વેલ્ડીંગ દરમિયાન, ફોકલ પોઝિશનની અક્ષીય ઊંડાઈ 227 μm સુધી પહોંચી શકે છે, જે સમાન પરિસ્થિતિઓમાં ગૌસીયન લેસર વેલ્ડીંગ કરતા ચાર ગણી વધારે છે.

૪. બેસલ લેન્સ ક્યાંથી ખરીદવા?

વેવલન્થ ઓપ્ટો-ઇલેક્ટ્રોનિક ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા બેસલ લેન્સ પ્રદાન કરે છે જેનો ઉપયોગ લેસર પ્રોસેસિંગ એપ્લિકેશન્સમાં થાય છે. ઇનપુટ બીમ વ્યાસના કદને સમાયોજિત કરીને આઉટપુટ બીમના ફોકસની ઊંડાઈની ટ્યુનેબિલિટી આ બેસલ બીમ ઓપ્ટિકલ સિસ્ટમની સૌથી આકર્ષક વિશેષતા છે.