Métodos de diseño de vigas de Bessel

Para fundir simultáneamente los materiales a ambos lados de la interfaz y lograr una unión de alta resistencia en la microrregión, el punto focal del láser debe enfocarse con precisión sobre la muestra, lo que impone exigencias rigurosas a la exactitud del sistema de soldadura. Además, debido al gran gradiente de intensidad axial del haz gaussiano tras el enfoque, la temperatura del campo focal es desigual, lo que propicia la formación de defectos de micro y nanovacíos en la región afectada por el láser, lo que a su vez afecta la calidad de la soldadura de la muestra.

La tecnología de conformación espacial de la luz se puede utilizar para generar haces de Bessel de orden cero y optimizar la distribución de intensidad del campo focal del láser. Este enfoque reduce el gradiente de intensidad axial y extiende la distancia focal, aumentando así la relación profundidad-anchura de la región de efecto térmico formada por el láser. Como resultado, reduce los requisitos de precisión de enfoque del sistema de soldadura láser, mejorando tanto la calidad como la eficiencia de la soldadura.

1. Generación y diseño de parámetros de haces de Bessel no difractantes

En 1987, Durnin propuso por primera vez el haz de Bessel de orden cero, que presenta propiedades únicas de no difracción: la distribución de intensidad de su campo de luz transversal permanece inalterada durante la propagación, y el tamaño del punto central siempre se aproxima al límite de difracción. Además, los haces de Bessel también exhiben una propiedad de autorreparación durante la propagación. Cuando el punto central se obstruye, la luz circundante converge hacia el centro para “repararlo”. La expresión matemática para la distribución del campo de luz transversal de un haz de Bessel de orden cero es:

En la expresión:

• J0 representa la función de Bessel de orden cero.
• r y φ son los elementos de coordenadas radial y angular, respectivamente.
• z es la distancia de propagación.
• Kr y Kz son los elementos del vector de onda transversal y longitudinal, respectivamente.

El punto central de un haz de Bessel de orden cero posee una gran capacidad de confinamiento, lo que permite alcanzar niveles de irradiación del orden de TW/cm² o superiores, capaces de excitar eficazmente la absorción no lineal en los materiales. Más importante aún, la propagación sin difracción característica de los haces de Bessel de orden cero proporciona una mayor profundidad de foco y un menor gradiente de intensidad axial, creando así un campo de temperatura prácticamente uniforme y suprimiendo la formación de defectos de soldadura.

La siguiente figura muestra una comparación de la distancia focal de haces de Bessel y haces gaussianos bajo la misma capacidad de confinamiento transversal. Los haces de Bessel poseen una considerable profundidad de foco, manteniendo al mismo tiempo un diámetro de punto focal transversal del orden de las micras.

Existen varios métodos para generar haces de Bessel de orden cero, y los tres métodos principales que se describen a continuación son los más comunes:

Método de apertura anular: Como su nombre indica, este método utiliza una rendija anular para generar haces de Bessel. Fue el primer método exitoso para generar dichos haces. El diagrama a continuación ilustra el método de apertura anular para generar haces de Bessel. Una onda plana incide perpendicularmente sobre la rendija anular desde la izquierda, produciéndose la difracción.

Posteriormente, una lente positiva realiza una transformada de Fourier, lo que da como resultado la formación de un haz de Bessel detrás de la lente. La distancia de propagación sin difracción Zmax está relacionada con el diámetro d de la rendija anular y la apertura numérica de la lente.

Si bien este método puede generar haces de Bessel de orden cero, la eficiencia de conversión de energía es extremadamente baja, lo que dificulta su aplicación en campos de procesamiento láser.

Método del modulador espacial de luz: La generación de un haz de Bessel de orden cero consiste esencialmente en modificar la distribución de fase del haz. Por lo tanto, también se puede generar un haz de Bessel de orden cero mediante un modulador espacial de luz. Un modulador espacial de luz es un dispositivo de modulación optoelectrónica que controla la intensidad y la distribución de fase del campo de luz mediante señales eléctricas. Se puede generar un haz de Bessel de orden cero aplicando la fase de la lente cónica, como se muestra en la figura siguiente, al panel de trabajo del modulador espacial de luz.

Método del axicón: Un axicón es uno de los elementos difractivos pasivos de vidrio más utilizados para generar haces de Bessel. Cuando un haz gaussiano incide normalmente sobre un axicón y lo atraviesa, su distribución de fase se modula, transformándolo en un haz de Bessel de orden cero sin pérdida de energía, como se muestra en la figura siguiente.

Debido a su bajo costo, facilidad de uso y alto umbral de daño por láser, así como a su excepcional eficiencia de utilización de energía, los axicones son la opción principal para generar haces Bessel de pulsos ultracortos en el campo del procesamiento láser. La figura siguiente muestra un esquema del estrechamiento y la transmisión de un haz Bessel de orden cero. Ajustando la magnificación y la orientación del sistema de imagen 4f, se pueden controlar fácilmente la distancia de propagación no difractiva, el ángulo del semicono y el ángulo de inclinación en la dirección de propagación del haz Bessel.

Cuando un haz de Bessel de orden cero con un ángulo de semicono Ɵ1 y una distancia de propagación sin difracción Zmax atraviesa un sistema 4f compuesto por una lente (L1) y una lente objetivo (L2), las dimensiones geométricas se comprimen aún más. El aumento lateral es aproximadamente M=f1/f2=5, y el aumento longitudinal es aproximadamente M2=25. Por lo tanto, la imagen final del haz de Bessel de orden cero dentro de la muestra se puede representar mediante los siguientes parámetros geométricos:

Parámetros geométricos del haz de Bessel proyectado dentro de una muestra de vidrio de cuarzo bajo diferentes ángulos de cono y aumentos de compresión del haz.

Distribución de la intensidad del campo focal de un haz de Bessel

• r y z: Componentes de las coordenadas radial y axial, respectivamente.
• λ: Longitud de onda central del láser.
• w: radio 1/e² del haz gaussiano incidente.
• P0: Potencia máxima del láser de pulsos ultracortos.
• β1: Ángulo de medio cono del haz de Bessel después de la compresión del haz.
• k: Vector de onda.
• J0: Función de Bessel de orden cero.

Distribución de intensidad del haz de Bessel de orden cero dentro del vidrio de cuarzo: A la izquierda se muestra la distribución de densidad de potencia óptica a lo largo de la dirección de propagación y la vista en sección transversal, y a la derecha se muestra la distribución de densidad de potencia óptica a lo largo del eje y la vista en sección transversal.

2. Características del haz Bessel de pulsos de femtosegundos en vidrio de sílice fundida

La figura (a) muestra las micrografías de la interacción entre haces Bessel de pulsos de femtosegundos y vidrio de sílice fundida a diferentes energías de pulso. El ancho del pulso láser se fija en 220 fs, y el semiángulo del haz Bessel dentro de la muestra es de 12,4°. Se observa que la región afectada por el láser presenta una estructura lineal unidimensional típica. Cuando la energía del pulso láser es inferior a 9,5 μJ, el índice de refracción del material en la región focal aumenta, apareciendo como una región negra en la micrografía.

Cuando la energía del pulso láser supera los 9,5 μJ, el índice de refracción del material en la región focal disminuye, apareciendo como una zona blanca en la micrografía. La longitud de esta zona blanca aumenta con la energía del pulso. Al pulir la muestra, observamos las características morfológicas de la zona blanca con una energía de pulso de 15,4 μJ mediante microscopía electrónica de barrido, como se muestra en la figura (b). Se puede concluir que se forma un nanoporo con un diámetro aproximado de 200 nm en la zona con índice de refracción reducido.

Mediante grabado iónico y sistemas de observación con microscopio electrónico de barrido in situ, confirmamos la presencia del nanoporo (Figura c). Por lo tanto, para minimizar la generación de defectos inducidos por láser, la energía de un solo pulso no debe exceder los 9,5 μJ durante la soldadura láser.

3. Obtención de microsoldaduras de alta calidad entre vidrios de sílice fundida mediante láser de pulsos ultracortos Bessel.

La figura (a) muestra una micrografía de vista superior de la superficie de soldadura de la muestra. Se observa que la línea de soldadura láser es uniforme y lisa. Si bien aún se aprecian algunos defectos de microporos distribuidos aleatoriamente en la zona soldada, en general, el resultado es significativamente mejor que el de la línea de soldadura láser gaussiana. Las mediciones indican que el ancho de la línea de soldadura es de aproximadamente 18 μm y la separación entre líneas es de 40 μm. La figura (b) muestra una micrografía de vista lateral de la línea de soldadura de la muestra.

Se observa que la separación entre las muestras desaparece por completo tras el procesamiento láser, y el material cercano a la interfaz se fusiona en una sola entidad después del proceso de fusión y enfriamiento térmico. Las mediciones revelan que la profundidad de la región de fusión térmica inducida por láser alcanza los 227 μm. Esto indica que, durante la soldadura láser con estos parámetros, la profundidad axial del foco puede llegar a los 227 μm, cuatro veces mayor que la de la soldadura láser gaussiana en las mismas condiciones.

4. ¿Dónde comprar lentes Bessel?

Wavelength Opto-Electronic ofrece lentes Bessel de alta calidad para aplicaciones de procesamiento láser. La capacidad de ajustar la profundidad de campo del haz de salida modificando el diámetro del haz de entrada es la característica más atractiva de este sistema óptico de haz Bessel.