طرق تصميم عوارض بيسل

لصهر المواد على جانبي السطح البيني في آنٍ واحد، ولإنشاء رابطة قوية في المنطقة الميكروية، يجب تركيز بؤرة الليزر بدقة متناهية على العينة، مما يفرض متطلبات صارمة على دقة معالجة نظام اللحام. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لتدرج شدة شعاع غاوس المحوري الكبير بعد التركيز، تكون درجة حرارة المجال البؤري غير متجانسة، مما يجعلها عرضةً لتكوّن عيوب ميكروية ونانوية في المنطقة المتأثرة بالليزر، وهو ما يؤثر بدوره على جودة لحام العينة.

يمكن استخدام تقنية تشكيل الضوء المكاني لتوليد حزم بيسل من الرتبة الصفرية لتحسين توزيع شدة مجال بؤرة الليزر. يقلل هذا النهج من تدرج الشدة المحوري ويزيد من البعد البؤري، مما يزيد من نسبة العمق إلى العرض لمنطقة التأثير الحراري المتكونة بفعل الليزر. ونتيجة لذلك، يقلل من متطلبات دقة التركيز لنظام لحام الليزر، مما يحسن جودة اللحام وكفاءته.

1. توليد وتصميم معلمات حزم بيسل غير الحيودية

في عام ١٩٨٧، اقترح دورنين لأول مرة شعاع بيسل من الرتبة الصفرية، والذي يتميز بخصائص فريدة غير حيودية: إذ يبقى توزيع شدة مجال الضوء المستعرض ثابتًا أثناء الانتشار، ويكون حجم البقعة المركزية دائمًا قريبًا من حد الحيود. إضافةً إلى ذلك، تُظهر أشعة بيسل خاصية التئام ذاتي أثناء الانتشار. فعندما تُحجب البقعة المركزية، يتقارب الضوء المحيط نحو المركز "لإصلاح" البقعة المركزية. والصيغة الرياضية لتوزيع مجال الضوء المستعرض لشعاع بيسل من الرتبة الصفرية هي:

في التعبير:

• يمثل J0 دالة بيسل من الرتبة الصفرية.
• يمثل r و φ عناصر الإحداثيات القطرية والزاوية على التوالي.
• z هي مسافة الانتشار.
• Kr و Kz هما عنصرا متجه الموجة المستعرضة والطولية، على التوالي.

تتمتع البقعة المركزية الرئيسية لحزمة بيسل من الرتبة الصفرية بقدرة حصر عالية، مما يسمح بمستويات إشعاع تصل إلى تيراواط/سم² أو أعلى، وهو ما يُحفز امتصاصًا غير خطي فعالًا في المواد. والأهم من ذلك، أن خاصية الانتشار غير الحيودي لحزم بيسل من الرتبة الصفرية توفر عمق تركيز أكبر وتدرجًا أقل في شدة الإشعاع المحورية، مما يُنشئ مجالًا حراريًا شبه متجانس ويمنع تشكل عيوب اللحام.

يوضح الشكل التالي مقارنة بين البعد البؤري لحزم بيسل وحزم غاوس في ظل نفس قدرة الحصر العرضي. تتميز حزم بيسل بعمق بؤري كبير مع الحفاظ على قطر بؤري عرضي في مستوى الميكرون.

توجد عدة طرق لتوليد حزم بيسل من الرتبة الصفرية، والطرق الرئيسية الثلاث التالية شائعة:

طريقة الفتحة الحلقية: كما يوحي الاسم، تعتمد طريقة الفتحة الحلقية على استخدام شق حلقي لإنتاج حزم بيسل. وكانت هذه أول طريقة ناجحة لتوليد حزم بيسل. يوضح الرسم البياني أدناه طريقة الفتحة الحلقية لتوليد حزم بيسل. تسقط موجة مستوية عموديًا على الشق الحلقي من اليسار، فيحدث حيود.

بعد ذلك، تقوم عدسة محدبة بإجراء تحويل فورييه، مما يؤدي إلى تكوين حزمة بيسل خلف العدسة. ترتبط مسافة الانتشار غير الحيودية Zmax بقطر الفتحة الحلقية d والفتحة العددية للعدسة.

على الرغم من أن هذه الطريقة يمكنها توليد حزم بيسل من الرتبة الصفرية، إلا أن كفاءة تحويل الطاقة منخفضة للغاية، مما يجعل من الصعب تطبيقها في مجالات معالجة الليزر.

طريقة مُعدِّل الضوء المكاني: تُعتبر عملية توليد شعاع بيسل من الرتبة الصفرية عمليةً أساسيةً لتغيير توزيع الطور للشعاع. لذا، يُمكن توليد شعاع بيسل من الرتبة الصفرية باستخدام مُعدِّل الضوء المكاني. مُعدِّل الضوء المكاني هو نوع من أجهزة التعديل الكهروضوئية التي تتحكم في شدة المجال الضوئي وتوزيع الطور عبر إشارات كهربائية. يُمكن توليد شعاع بيسل من الرتبة الصفرية بتطبيق طور العدسة المخروطية، كما هو موضح في الشكل أدناه، على لوحة عمل مُعدِّل الضوء المكاني.

طريقة المخروط المحوري: يُعد المخروط المحوري أحد أكثر عناصر الحيود الزجاجية السلبية شيوعًا لتوليد حزم بيسل. فعندما يسقط شعاع غاوسي عموديًا على المخروط المحوري ويمر عبره، يتغير توزيع طوره، مما يحوله إلى شعاع بيسل من الرتبة الصفرية دون أي فقد في الطاقة، كما هو موضح في الشكل أدناه.

نظرًا لانخفاض تكلفة العدسات المخروطية الزجاجية وسهولة استخدامها ومقاومتها العالية للتلف الناتج عن الليزر، فضلًا عن كفاءتها الاستثنائية في استغلال الطاقة، تُعدّ هذه العدسات الخيار الأمثل لتوليد حزم بيسل النبضية فائقة القصر في مجال المعالجة بالليزر. يوضح الشكل أدناه مخططًا لتضييق حزمة بيسل من الرتبة الصفرية ونقلها. ومن خلال ضبط تكبير نظام التصوير 4f وتوجيهه، يُمكن التحكم بسهولة في مسافة الانتشار غير الحيودية، وزاوية نصف المخروط، وزاوية الميل في اتجاه انتشار حزمة بيسل.

عندما يمر شعاع بيسل من الرتبة الصفرية بزاوية نصف مخروطية Ɵ1 ومسافة انتشار خالية من الانعراج Zmax عبر نظام 4f مكون من عدسة (L1) وعدسة موضوعية (L2)، فإن الأبعاد الهندسية ستنضغط بشكل أكبر. يبلغ التكبير الجانبي تقريبًا M=f1/f2=5، والتكبير الطولي تقريبًا M2=25. وبالتالي، يمكن تمثيل الصورة النهائية لشعاع بيسل من الرتبة الصفرية داخل العينة بالمعلمات الهندسية التالية:

المعلمات الهندسية لشعاع بيسل المصور داخل عينة من زجاج الكوارتز تحت زوايا مخروطية مختلفة وتكبيرات ضغط الشعاع.

توزيع شدة مجال التركيز لحزمة بيسل

• r و z: مكونات الإحداثيات القطرية والمحورية، على التوالي.
• λ: الطول الموجي المركزي لليزر.
• w: نصف قطر شعاع غاوسي ساقط 1/e².
• P0: ذروة طاقة ليزر النبضات فائقة القصر.
• β1: زاوية نصف المخروط لشعاع بيسل بعد ضغط الشعاع.
• k: متجه الموجة.
• J0: دالة بيسل من الرتبة الصفرية.

توزيع شدة شعاع بيسل من الرتبة الصفرية داخل زجاج الكوارتز: على اليسار توزيع كثافة القدرة الضوئية على طول اتجاه الانتشار والمنظر المقطعي، وعلى اليمين توزيع كثافة القدرة الضوئية على طول المحور والمنظر المقطعي

2. خصائص حزمة بيسل النبضية الفيمتوثانية في زجاج السيليكا المنصهر

يوضح الشكل (أ) صورًا مجهرية لتفاعل حزم بيسل النبضية الفيمتوثانية مع زجاج السيليكا المنصهر عند طاقات نبضية مختلفة. تم تثبيت عرض نبضة الليزر عند 220 فيمتوثانية، وزاوية نصف المخروط لحزمة بيسل داخل العينة 12.4 درجة. يُلاحظ أن المنطقة المتأثرة بالليزر تُظهر بنية خطية أحادية البعد نموذجية. عندما تكون طاقة نبضة الليزر أقل من 9.5 ميكرو جول، يزداد معامل انكسار المادة في منطقة التركيز، فتظهر كمنطقة سوداء في الصورة المجهرية.

عندما تتجاوز طاقة نبضة الليزر 9.5 ميكرو جول، ينخفض ​​معامل انكسار المادة في منطقة التركيز، فتظهر كمنطقة بيضاء في الصورة المجهرية، ويزداد طول هذه المنطقة البيضاء مع ازدياد طاقة النبضة. وبصقل العينة، رصدنا الخصائص المورفولوجية للمنطقة البيضاء عند طاقة نبضة 15.4 ميكرو جول باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، كما هو موضح في الشكل (ب). نستنتج من ذلك تكوّن مسام نانوية بقطر يبلغ حوالي 200 نانومتر في المنطقة ذات معامل الانكسار المنخفض.

باستخدام تقنيات الحفر بشعاع الأيونات وأنظمة المراقبة المجهرية الإلكترونية الماسحة في الموقع، تأكدنا من وجود المسام النانوية (الشكل ج). لذا، ولتقليل العيوب الناتجة عن الليزر، يجب ألا تتجاوز طاقة النبضة الواحدة 9.5 ميكرو جول أثناء اللحام بالليزر.

3. تحقيق لحام دقيق عالي الجودة بين زجاج السيليكا المنصهر باستخدام ليزر بيسل النبضي فائق القصر.

يوضح الشكل (أ) صورة مجهرية من الأعلى لسطح اللحام في العينة. يتضح أن خط اللحام بالليزر منتظم وناعم. على الرغم من وجود بعض العيوب المسامية الدقيقة الموزعة عشوائيًا في منطقة اللحام، إلا أنه بشكل عام أفضل بكثير من خط اللحام بالليزر الغاوسي. تشير القياسات إلى أن عرض خط اللحام يبلغ حوالي 18 ميكرومترًا، والمسافة بين خطوط اللحام 40 ميكرومترًا. يوضح الشكل (ب) صورة مجهرية من الجانب لخط اللحام في العينة.

يُلاحظ اختفاء الفجوة بين العينات تمامًا بعد المعالجة بالليزر، وانصهار المادة القريبة من السطح البيني لتُشكّل وحدةً واحدةً بعد عملية الانصهار الحراري والتبريد. تُشير القياسات إلى أن عمق منطقة الانصهار الحراري الناتجة عن الليزر يصل إلى 227 ميكرومترًا. وهذا يدل على أنه أثناء اللحام بالليزر بهذه المعايير، يمكن أن يصل العمق المحوري لموضع التركيز إلى 227 ميكرومترًا، أي أربعة أضعاف عمق اللحام بالليزر الغاوسي في ظل الظروف نفسها.

4. أين يمكن شراء عدسات بيسل؟

تُقدّم شركة Wavelength Opto-Electronic عدسات بيسل عالية الجودة تُستخدم في تطبيقات معالجة الليزر. وتُعدّ إمكانية ضبط عمق بؤرة شعاع الخرج عن طريق تعديل قطر شعاع الدخل الميزة الأبرز في هذا النظام البصري لشعاع بيسل.