Միջերեսի երկու կողմերում գտնվող նյութերը միաժամանակ հալեցնելու և բարձր ամրության միկրոտարածաշրջանային կապ հաստատելու համար լազերի կիզակետը պետք է ճշգրիտ կենտրոնացվի նմուշի վրա, ինչը խիստ պահանջներ է ներկայացնում եռակցման համակարգի մշակման ճշգրտության վերաբերյալ: Բացի այդ, կիզակետումից հետո գաուսյան ճառագայթի մեծ առանցքային ինտենսիվության գրադիենտի պատճառով կիզակետային դաշտի ջերմաստիճանը անհավասար է, ինչը այն հակված է դարձնում լազերի ազդեցության տակ գտնվող տարածքում միկրո- և նանո-դատարկությունների առաջացմանը, ինչը, իր հերթին, ազդում է նմուշի եռակցման որակի վրա:
Տարածական լույսի ձևավորման տեխնոլոգիան կարող է օգտագործվել զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթներ ստեղծելու համար՝ լազերի ֆոկուսային դաշտի ինտենսիվության բաշխումը օպտիմալացնելու համար: Այս մոտեցումը նվազեցնում է առանցքային ինտենսիվության գրադիենտը և երկարացնում ֆոկուսային երկարությունը, դրանով իսկ մեծացնելով լազերի կողմից ձևավորված ջերմային էֆեկտի շրջանի խորության և լայնության հարաբերակցությունը: Արդյունքում, այն նվազեցնում է լազերային եռակցման համակարգի ֆոկուսացման ճշգրտության պահանջները՝ բարելավելով ինչպես եռակցման որակը, այնպես էլ արդյունավետությունը:
1. Ոչ դիֆրակցիոն Բեսելյան ճառագայթների ստեղծումը և պարամետրերի նախագծումը
1987 թվականին Դուրնինը առաջին անգամ առաջարկեց զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթը, որը ցուցաբերում է եզակի ոչ դիֆրակցիոն հատկություններ. դրա լայնակի լույսի դաշտի ինտենսիվության բաշխումը մնում է անփոփոխ տարածման ընթացքում, իսկ կենտրոնական կետի չափը միշտ մոտ է դիֆրակցիոն սահմանին: Բացի այդ, Բեսելյան ճառագայթները տարածման ընթացքում ցուցաբերում են նաև ինքնաբուժման հատկություն: Երբ կենտրոնական կետը խոչընդոտվում է, շրջակա լույսը կհավաքվի դեպի կենտրոն՝ կենտրոնական կետը «վերանորոգելու» համար: Զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի լայնակի լույսի դաշտի բաշխման մաթեմատիկական արտահայտությունը հետևյալն է.
Արտահայտության մեջ՝
- J0-ն ներկայացնում է զրոյական կարգի Բեսելյան ֆունկցիան։
- r-ը և φ-ն համապատասխանաբար ճառագայթային և անկյունային կոորդինատների տարրերն են։
- z-ն տարածման հեռավորությունն է։
- Kr-ը և Kz-ը համապատասխանաբար լայնակի և երկայնական ալիքային վեկտորի տարրերն են։
Զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի կենտրոնական գլխավոր կետն ունի ուժեղ սահմանափակման ունակություն, որը թույլ է տալիս TW/cm² կամ ավելի բարձր կարգի ճառագայթման մակարդակներ, որոնք կարող են արդյունավետորեն խթանել ոչ գծային կլանում նյութերում: Ավելի կարևոր է, որ զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթների ոչ դիֆրակցիոն տարածման բնութագիրը ապահովում է ավելի մեծ կիզակետային խորություն և ավելի փոքր առանցքային ինտենսիվության գրադիենտ, այդպիսով ստեղծելով գրեթե միատարր ջերմաստիճանային դաշտ և կանխելով եռակցման արատների առաջացումը:
Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս Բեսելյան և Գաուսյան ճառագայթների ֆոկուսային երկարությունների համեմատությունը նույն լայնակի սահմանափակման ունակության դեպքում: Բեսելյան ճառագայթները ունեն ֆոկուսի զգալի խորություն՝ միաժամանակ պահպանելով լայնակի միկրոնային մակարդակի ֆոկուսային կետի տրամագիծը:
Զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթներ ստանալու մի քանի մեթոդներ կան, և տարածված են հետևյալ երեք հիմնական մեթոդները.
Օղակաձև ապերտուրայի մեթոդ. Օղակաձև ապերտուրայի մեթոդը, ինչպես անունն է հուշում, ներառում է օղակաձև ճեղքի օգտագործումը Բեսելյան ճառագայթներ ստանալու համար: Սա նաև Բեսելյան ճառագայթներ ստանալու առաջին հաջողված մեթոդն էր: Ստորև բերված դիագրամը պատկերում է Բեսելյան ճառագայթներ ստանալու օղակաձև ապերտուրայի մեթոդը: Հարթ ալիքը ձախից ուղղահայաց ընկնում է օղակաձև ճեղքի վրա, և տեղի է ունենում դիֆրակցիա:
Այնուհետև, դրական ոսպնյակը կատարում է Ֆուրիեի ձևափոխություն, որի արդյունքում ոսպնյակի հետևում առաջանում է Բեսելյան ճառագայթ։ Ոչ դիֆրակցիոն տարածման հեռավորությունը Zmax կապված է օղակաձև ճեղքի d տրամագծի և ոսպնյակի թվային ապերտուրայի հետ։
Չնայած այս մեթոդը կարող է առաջացնել զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթներ, էներգիայի փոխակերպման արդյունավետությունը չափազանց ցածր է, ինչը դժվարացնում է դրա կիրառումը լազերային մշակման ոլորտներում։
Տարածական լույսի մոդուլյատորի մեթոդ. Զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի ստեղծման գործընթացը, ըստ էության, ճառագայթի փուլային բաշխումը փոխելու գործընթաց է: Հետևաբար, զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթը կարող է ստեղծվել նաև տարածական լույսի մոդուլյատորի միջոցով: Տարածական լույսի մոդուլյատորը օպտոէլեկտրոնային մոդուլյացիայի սարքի տեսակ է, որը կարգավորում է լույսի դաշտի ինտենսիվությունը և փուլային բաշխումը էլեկտրական ազդանշանների միջոցով: Զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթը կարող է ստեղծվել՝ կոնաձև ոսպնյակի փուլը, ինչպես ցույց է տրված ստորև բերված նկարում, տարածական լույսի մոդուլյատորի աշխատանքային վահանակին կիրառելով:
Աքսիկոնի մեթոդ. Աքսիկոնը Բեսելյան ճառագայթներ ստանալու համար ամենատարածված օգտագործվող պասիվ ապակու վրա հիմնված դիֆրակցիոն տարրերից մեկն է: Երբ գաուսյան ճառագայթը սովորաբար ընկնում է աքսիկոնի վրա և անցնում է դրա միջով, դրա փուլային բաշխումը մոդուլացվում է՝ այն վերափոխելով զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի՝ առանց էներգիայի որևէ կորստի, ինչպես ցույց է տրված ստորև բերված նկարում:
Ապակե աքսիկոնների ցածր գնի, օգտագործման հեշտության և լազերային բարձր վնասման շեմի, ինչպես նաև էներգիայի օգտագործման բացառիկ բարձր արդյունավետության շնորհիվ, աքսիկոնները լազերային մշակման ոլորտում գերկարճ իմպուլսային Բեսելյան ճառագայթներ ստեղծելու հիմնական ընտրությունն են: Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի ճառագայթի նեղացման և փոխանցման սխեմատիկ պատկերը: 4f պատկերման համակարգի մեծացումը և կողմնորոշումը կարգավորելով՝ կարելի է հեշտությամբ կառավարել ոչ դիֆրակցիոն տարածման հեռավորությունը, կիսակոնային անկյունը և Բեսելյան ճառագայթի տարածման ուղղությամբ թեքության անկյունը:
Երբ զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթը՝ Ɵ1 կիսակոնային անկյան և Zmax դիֆրակցիայից զերծ տարածման հեռավորությամբ, անցնում է ոսպնյակից (L1) և օբյեկտիվից (L2) կազմված 4f համակարգով, երկրաչափական չափերը կսեղմվեն։ Կողմնային մեծացումը մոտավորապես M=f1/f2=5 է, իսկ երկայնական մեծացումը՝ մոտավորապես M2=25։ Այսպիսով, նմուշի ներսում զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի վերջնական պատկերումը կարող է ներկայացվել երկրաչափական պարամետրերով.
Բեսելյան ճառագայթի երկրաչափական պարամետրերը, որոնք պատկերված են քվարցային ապակու նմուշի ներսում՝ տարբեր կոնաձև անկյունների և ճառագայթի սեղմման մեծացումների ներքո։
| առանցքային գագաթնակետային անկյուն α (°) | Մուտքային ճառագայթի շառավիղ d(մմ) | (հմմ) | Մ=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 | 1555թ. | 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 | 1747թ. | 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 |
Բեսելյան ճառագայթի ֆոկուսային դաշտի ինտենսիվության բաշխումը
- r և z՝ համապատասխանաբար՝ ճառագայթային և առանցքային կոորդինատների բաղադրիչներ։
- λ՝ լազերի կենտրոնական ալիքի երկարությունը։
- w: ընկնող գաուսյան փնջի 1/e² շառավղը։
- P0: Ուլտրակարճ իմպուլսային լազերի գագաթնակետային հզորությունը։
- β1: Բեսելյան ճառագայթի կիսակոնաձև անկյունը ճառագայթի սեղմումից հետո։
- k: Ալիքային վեկտոր։
- J0: Զրոյական կարգի Բեսսելի ֆունկցիա։
Զրոյական կարգի Բեսելյան ճառագայթի ինտենսիվության բաշխումը քվարցային ապակու ներսում. Ձախ կողմում տարածման ուղղությամբ օպտիկական հզորության խտության բաշխումն է և լայնական կտրվածքը, իսկ աջ կողմում՝ առանցքի երկայնքով օպտիկական հզորության խտության բաշխումն է և լայնական կտրվածքը։
2. Հալված սիլիցիումային ապակու մեջ ֆեմտովայրկյանային իմպուլսային բեսելային փնջի բնութագրերը
Նկար (ա)-ն ցույց է տալիս ֆեմտովայրկյանային իմպուլսային Բեսելյան ճառագայթների և հալված սիլիցիումային ապակու փոխազդեցության միկրոֆոտոները տարբեր իմպուլսային էներգիաների դեպքում: Լազերային իմպուլսի լայնությունը ֆիքսված է 220 fs-ի վրա, իսկ նմուշի ներսում Բեսելյան ճառագայթի կիսակոնաձև անկյունը 12.4° է: Կարելի է նկատել, որ լազերից տուժած տարածքը ցուցաբերում է տիպիկ միաչափ գծային կառուցվածք: Երբ լազերային իմպուլսի էներգիան 9.5 μJ-ից պակաս է, կիզակետային շրջանում նյութի բեկման ցուցիչը մեծանում է, միկրոֆոտոի վրա երևալով որպես սև շրջան:
Երբ լազերային իմպուլսի էներգիան գերազանցում է 9.5 մկՋ-ը, նյութի բեկման ցուցիչը կիզակետային շրջանում նվազում է՝ միկրոֆոտոգրաֆիայում հայտնվելով որպես սպիտակ շրջան, իսկ սպիտակ շրջանի երկարությունը մեծանում է իմպուլսի էներգիայի աճին զուգընթաց։ Նմուշը հղկելով՝ մենք սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի տակ դիտարկել ենք սպիտակ շրջանի ձևաբանական բնութագրերը 15.4 մկՋ իմպուլսի էներգիայի դեպքում, ինչպես ցույց է տրված նկար (բ)-ում։ Կարելի է եզրակացնել, որ նվազեցված բեկման ցուցիչով շրջանում ձևավորվում է մոտավորապես 200 նմ տրամագծով նանոանցք։
Իոնային փնջի փորագրման և տեղում սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի դիտարկման համակարգերի միջոցով մենք հետագայում հաստատեցինք նանոփոսիկի առկայությունը (Նկար գ): Հետևաբար, լազերային եռակցման ժամանակ լազերային եռակցման ժամանակ մեկ իմպուլսի էներգիան չպետք է գերազանցի 9.5 μՋ-ը:
3. Բեսսելի ուլտրակարճ իմպուլսային լազերի միջոցով հալված սիլիցիումային ապակիների միջև բարձրորակ միկրոեռակցման իրականացում:
Նկար (ա)-ն ցույց է տալիս նմուշի եռակցման մակերեսի վերևից միկրոֆոտո։ Կարելի է տեսնել, որ լազերային եռակցման գիծը միատարր և հարթ է։ Չնայած եռակցման տարածքում դեռևս կան մի քանի պատահականորեն բաշխված միկրոփոսիկների թերություններ, ընդհանուր առմամբ, այն զգալիորեն ավելի լավ է, քան գաուսյան լազերային եռակցման գիծը։ Չափումները ցույց են տալիս, որ եռակցման գծի լայնությունը մոտավորապես 18 մկմ է, իսկ եռակցման գծերի միջև հեռավորությունը՝ 40 մկմ։ Նկար (բ)-ն ցույց է տալիս նմուշի եռակցման գծի կողային միկրոֆոտո։
Կարելի է տեսնել, որ լազերային մշակումից հետո նմուշների միջև եղած բացը լիովին անհետանում է, և միջերեսին մոտ գտնվող նյութը ջերմային հալեցման-սառեցման գործընթացին անցնելուց հետո միաձուլվել է մեկ ամբողջության մեջ: Չափումները ցույց են տալիս, որ լազերային ջերմային հալեցման շրջանի խորությունը հասնում է մինչև 227 մկմ: Սա ցույց է տալիս, որ այս պարամետրերով լազերային եռակցման ժամանակ կիզակետային դիրքի առանցքային խորությունը կարող է հասնել մինչև 227 մկմ, ինչը նույն պայմաններում գաուսյան լազերային եռակցման խորության չորս անգամ ավելի մեծ է:
4. Որտեղի՞ց գնել Բեսելի ոսպնյակներ:
Wavelength Opto-Electronic-ը առաջարկում է բարձրորակ Բեսելյան ոսպնյակներ, որոնք օգտագործվում են լազերային մշակման կիրառություններում: Այս Բեսելյան ճառագայթային օպտիկական համակարգի ամենագրավիչ առանձնահատկությունն այն է, որ մուտքային ճառագայթի տրամագծի չափը կարգավորելով ելքային ճառագայթի ֆոկուսի խորությունը կարգավորելի է:
| Մասի համարը | Ալիքի երկարություն (նմ) | Աշխատանքային հեռավորություն (մմ) | Մուտքային ճառագայթի առավելագույն տրամագիծը (մմ) | Նախագծված ֆոկուսի խորություն (մմ) | Ընդհանուր երկարություն (մմ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Հրապարակման ժամանակը. Հոկտեմբերի 10-2024