बेसेल बीम डिजाइन विधियाँ

इंटरफ़ेस के दोनों ओर की सामग्रियों को एक साथ पिघलाने और उच्च-शक्ति वाले सूक्ष्म-क्षेत्रीय बंधन स्थापित करने के लिए, लेज़र फोकल बिंदु को नमूने पर सटीक रूप से केंद्रित करना आवश्यक है, जिससे वेल्डिंग प्रणाली की प्रसंस्करण सटीकता पर कड़ी मांग होती है। इसके अतिरिक्त, फोकस करने के बाद गॉसियन बीम के बड़े अक्षीय तीव्रता ग्रेडिएंट के कारण, फोकल क्षेत्र का तापमान असमान होता है, जिससे लेज़र-प्रभावित क्षेत्र में सूक्ष्म और नैनो-शून्य दोषों के बनने की संभावना बढ़ जाती है, जो बदले में नमूने की वेल्डिंग गुणवत्ता को प्रभावित करता है।

स्पेशियल लाइट शेपिंग तकनीक का उपयोग करके शून्य-क्रम बेसेल बीम उत्पन्न किए जा सकते हैं, जिससे लेजर फोकल क्षेत्र के तीव्रता वितरण को अनुकूलित किया जा सके। यह विधि अक्षीय तीव्रता प्रवणता को कम करती है और फोकल लंबाई को बढ़ाती है, जिससे लेजर द्वारा निर्मित तापीय प्रभाव क्षेत्र का गहराई-से-चौड़ाई अनुपात बढ़ जाता है। परिणामस्वरूप, यह लेजर वेल्डिंग प्रणाली की फोकसिंग सटीकता आवश्यकताओं को कम करता है, जिससे वेल्डिंग की गुणवत्ता और दक्षता दोनों में सुधार होता है।

1. गैर-विवर्तनशील बेसेल बीमों का निर्माण और पैरामीटर डिज़ाइन

1987 में, डर्निन ने पहली बार शून्य-कोटि बेसेल बीम का प्रस्ताव रखा, जो अद्वितीय गैर-विवर्तनकारी गुण प्रदर्शित करता है: इसके अनुप्रस्थ प्रकाश क्षेत्र की तीव्रता का वितरण प्रसार के दौरान अपरिवर्तित रहता है, और केंद्रीय बिंदु का आकार हमेशा विवर्तन सीमा के करीब होता है। इसके अतिरिक्त, बेसेल बीम प्रसार के दौरान स्व-उपचार का गुण भी प्रदर्शित करते हैं। जब केंद्रीय बिंदु अवरुद्ध हो जाता है, तो आसपास का प्रकाश केंद्र की ओर अभिसरित होकर केंद्रीय बिंदु की "मरम्मत" करता है। शून्य-कोटि बेसेल बीम के अनुप्रस्थ प्रकाश क्षेत्र वितरण के लिए गणितीय व्यंजक इस प्रकार है:

अभिव्यक्ति में:

• J0 शून्य-कोटि बेसेल फलन को दर्शाता है।
• r और φ क्रमशः रेडियल और कोणीय निर्देशांक तत्व हैं।
• z प्रसार दूरी है।
• Kr और Kz क्रमशः अनुप्रस्थ और अनुदैर्ध्य तरंग सदिश तत्व हैं।

शून्य-कोटि बेसेल बीम के केंद्रीय मुख्य बिंदु में प्रबल परिरोधन क्षमता होती है, जिससे TW/cm² या उससे अधिक के विकिरण स्तर प्राप्त किए जा सकते हैं, जो पदार्थों में गैर-रेखीय अवशोषण को प्रभावी ढंग से उत्तेजित कर सकते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि शून्य-कोटि बेसेल बीम की गैर-विवर्तनशील प्रसार विशेषता अधिक फोकस गहराई और कम अक्षीय तीव्रता प्रवणता प्रदान करती है, जिससे लगभग एकसमान तापमान क्षेत्र बनता है और वेल्डिंग दोषों के निर्माण को रोका जा सकता है।

निम्नलिखित चित्र समान अनुप्रस्थ परिरोधन क्षमता के अंतर्गत बेसेल बीम और गाउसियन बीम की फोकल लंबाई की तुलना दर्शाता है। बेसेल बीम में अनुप्रस्थ माइक्रोन-स्तर के फोकल स्पॉट व्यास को बनाए रखते हुए फोकस की गहराई काफी अधिक होती है।

शून्य-कोटि बेसेल बीम उत्पन्न करने की कई विधियाँ हैं, और निम्नलिखित तीन मुख्य विधियाँ सामान्य हैं:

वलयाकार छिद्र विधि: जैसा कि नाम से स्पष्ट है, वलयाकार छिद्र विधि में बेसेल किरणक उत्पन्न करने के लिए एक वलयाकार स्लिट का उपयोग किया जाता है। बेसेल किरणक उत्पन्न करने की यह पहली सफल विधि भी थी। नीचे दिया गया चित्र बेसेल किरणक उत्पन्न करने की वलयाकार छिद्र विधि को दर्शाता है। एक समतल तरंग वलयाकार स्लिट पर बाईं ओर से लंबवत आपतित होती है और विवर्तन होता है।

इसके बाद, एक धनात्मक लेंस फूरियर रूपांतरण करता है, जिसके परिणामस्वरूप लेंस के पीछे एक बेसेल किरण उत्पन्न होती है। अपवर्तन रहित प्रसार दूरी Zmax, वलयाकार स्लिट के व्यास d और लेंस के संख्यात्मक छिद्र के समानुपाती होती है।

हालांकि यह विधि शून्य-क्रम बेसेल बीम उत्पन्न कर सकती है, लेकिन ऊर्जा रूपांतरण दक्षता अत्यंत कम है, जिससे लेजर प्रसंस्करण क्षेत्रों में इसका अनुप्रयोग करना मुश्किल हो जाता है।

स्थानिक प्रकाश मॉड्युलेटर विधि: शून्य-कोटि बेसेल किरणकण उत्पन्न करने की प्रक्रिया मूलतः किरणकण के चरण वितरण को परिवर्तित करने की प्रक्रिया है। अतः, स्थानिक प्रकाश मॉड्युलेटर का उपयोग करके भी शून्य-कोटि बेसेल किरणकण उत्पन्न किया जा सकता है। स्थानिक प्रकाश मॉड्युलेटर एक प्रकार का ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक मॉड्युलेशन उपकरण है जो विद्युत संकेतों के माध्यम से प्रकाश क्षेत्र की तीव्रता और चरण वितरण को नियंत्रित करता है। नीचे दिए गए चित्र में दर्शाए अनुसार, स्थानिक प्रकाश मॉड्युलेटर के कार्य पैनल पर शंक्वाकार लेंस चरण लगाकर शून्य-कोटि बेसेल किरणकण उत्पन्न किया जा सकता है।

एक्सिकॉन विधि: एक्सिकॉन, बेसेल किरणकण उत्पन्न करने के लिए सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले निष्क्रिय कांच-आधारित विवर्तनिक तत्वों में से एक है। जब एक गाऊसी किरणकण एक्सिकॉन पर लंबवत आपतित होकर उससे होकर गुजरता है, तो उसका कला वितरण संशोधित हो जाता है, जिससे वह बिना किसी ऊर्जा हानि के शून्य-कोटि बेसेल किरणकण में परिवर्तित हो जाता है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।

ग्लास एक्सिकॉन की कम लागत, उपयोग में आसानी और उच्च लेजर क्षति सीमा के साथ-साथ उनकी असाधारण रूप से उच्च ऊर्जा उपयोग दक्षता के कारण, लेजर प्रसंस्करण के क्षेत्र में अल्ट्राशॉर्ट पल्स बेसेल बीम उत्पन्न करने के लिए एक्सिकॉन प्राथमिक विकल्प हैं। नीचे दिया गया चित्र शून्य-क्रम बेसेल बीम के संकुचन और संचरण का एक योजनाबद्ध आरेख दर्शाता है। 4f इमेजिंग सिस्टम के आवर्धन और अभिविन्यास को समायोजित करके, बेसेल बीम की गैर-विवर्तनशील प्रसार दूरी, अर्ध-शंकु कोण और प्रसार दिशा में झुकाव कोण को आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है।

जब Ɵ1 के अर्ध-शंकु कोण और Zmax की विवर्तन-मुक्त प्रसार दूरी वाला शून्य-कोटि बेसेल बीम एक लेंस (L1) और एक ऑब्जेक्टिव लेंस (L2) से बने 4f सिस्टम से गुजरता है, तो ज्यामितीय आयाम और अधिक संकुचित हो जाते हैं। पार्श्व आवर्धन लगभग M=f1/f2=5 है, और अनुदैर्ध्य आवर्धन लगभग M2=25 है। इस प्रकार, नमूने के भीतर शून्य-कोटि बेसेल बीम की अंतिम छवि को निम्नलिखित ज्यामितीय मापदंडों द्वारा दर्शाया जा सकता है:

विभिन्न शंकु कोणों और बीम संपीड़न आवर्धन के तहत क्वार्ट्ज ग्लास नमूने के अंदर चित्रित बेसेल बीम के ज्यामितीय पैरामीटर।

बेसेल बीम का फोकस क्षेत्र तीव्रता वितरण

• r और z: क्रमशः रेडियल और अक्षीय निर्देशांक घटक।
• λ: लेजर की केंद्रीय तरंगदैर्ध्य।
• w: आपतित गाऊसी किरण की त्रिज्या का 1/e²।
• P0: अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेजर की अधिकतम शक्ति।
• β1: बीम संपीड़न के बाद बेसेल बीम का आधा शंकु कोण।
• k: तरंग सदिश।
• J0: शून्य-कोटि बेसेल फलन।

क्वार्ट्ज़ ग्लास के भीतर शून्य-कोटि बेसेल बीम का तीव्रता वितरण: बाईं ओर प्रसार दिशा के अनुदिश प्रकाशीय शक्ति घनत्व वितरण और अनुप्रस्थ काट का दृश्य दिखाया गया है, और दाईं ओर अक्ष के अनुदिश प्रकाशीय शक्ति घनत्व वितरण और अनुप्रस्थ काट का दृश्य दिखाया गया है।

2. फ्यूज्ड सिलिका ग्लास में फेमटोसेकंड पल्स बेसेल बीम की विशेषताएं

चित्र (a) में विभिन्न पल्स ऊर्जाओं पर फेमटोसेकंड पल्स बेसेल बीम और फ्यूज्ड सिलिका ग्लास के बीच परस्पर क्रिया के सूक्ष्मदर्शी चित्र दर्शाए गए हैं। लेजर पल्स की चौड़ाई 220 fs स्थिर रखी गई है, और नमूने के भीतर बेसेल बीम का अर्ध-शंकु कोण 12.4° है। यह देखा जा सकता है कि लेजर से प्रभावित क्षेत्र एक विशिष्ट एक-आयामी रैखिक संरचना प्रदर्शित करता है। जब लेजर पल्स ऊर्जा 9.5 μJ से कम होती है, तो फोकल क्षेत्र में पदार्थ का अपवर्तनांक बढ़ जाता है, जो सूक्ष्मदर्शी चित्र में एक काले क्षेत्र के रूप में दिखाई देता है।

जब लेज़र पल्स की ऊर्जा 9.5 μJ से अधिक हो जाती है, तो फोकल क्षेत्र में पदार्थ का अपवर्तनांक कम हो जाता है, जिससे सूक्ष्मदर्शी में एक सफेद क्षेत्र दिखाई देता है, और पल्स ऊर्जा बढ़ने के साथ सफेद क्षेत्र की लंबाई भी बढ़ जाती है। नमूने को पॉलिश करके, हमने स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत 15.4 μJ की पल्स ऊर्जा पर सफेद क्षेत्र की रूपात्मक विशेषताओं का अवलोकन किया, जैसा कि चित्र (b) में दिखाया गया है। इससे यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि कम अपवर्तनांक वाले क्षेत्र में लगभग 200 nm व्यास का एक नैनोपोर बनता है।

आयन बीम एचिंग और इन-सीटू स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप अवलोकन प्रणालियों के माध्यम से, हमने नैनोपोर की उपस्थिति की पुष्टि की (चित्र c)। इसलिए, लेजर-प्रेरित दोषों के निर्माण को कम करने के लिए, लेजर वेल्डिंग के दौरान एकल पल्स ऊर्जा 9.5 μJ से अधिक नहीं होनी चाहिए।

3. बेसेल अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेजर का उपयोग करके फ्यूज्ड सिलिका ग्लास के बीच उच्च गुणवत्ता वाली माइक्रो-वेल्डिंग प्राप्त करना।

चित्र (a) नमूने की वेल्डिंग सतह का शीर्ष-दृश्य सूक्ष्मदर्शी चित्र दर्शाता है। इसमें देखा जा सकता है कि लेजर वेल्ड लाइन एकसमान और चिकनी है। हालांकि वेल्ड किए गए क्षेत्र में अभी भी कुछ अनियमित रूप से वितरित सूक्ष्म छिद्र दोष मौजूद हैं, फिर भी कुल मिलाकर यह गॉसियन लेजर वेल्ड लाइन से काफी बेहतर है। मापन से पता चलता है कि वेल्ड लाइन की चौड़ाई लगभग 18 μm है और वेल्ड लाइनों के बीच की दूरी 40 μm है। चित्र (b) नमूने की वेल्ड लाइन का पार्श्व-दृश्य सूक्ष्मदर्शी चित्र दर्शाता है।

यह देखा जा सकता है कि लेजर प्रक्रिया के बाद नमूनों के बीच का अंतर पूरी तरह से गायब हो जाता है, और इंटरफ़ेस के पास की सामग्री ऊष्मीय पिघलने-शीतलन प्रक्रिया से गुजरने के बाद एक इकाई में विलीन हो जाती है। मापों से पता चलता है कि लेजर-प्रेरित ऊष्मीय पिघलने वाले क्षेत्र की गहराई 227 μm तक पहुँच जाती है। इससे संकेत मिलता है कि इन मापदंडों के साथ लेजर वेल्डिंग के दौरान, फोकल स्थिति की अक्षीय गहराई 227 μm तक पहुँच सकती है, जो समान परिस्थितियों में गॉसियन लेजर वेल्डिंग की तुलना में चार गुना अधिक है।

4. बेसेल लेंस कहां से खरीदें?

वेवलेंथ ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक उच्च गुणवत्ता वाले बेसेल लेंस प्रदान करता है जिनका उपयोग लेजर प्रोसेसिंग अनुप्रयोगों में किया जाता है। इनपुट बीम के व्यास को समायोजित करके आउटपुट बीम की फोकस गहराई को ट्यून करने की क्षमता इस बेसेल बीम ऑप्टिकल सिस्टम की सबसे आकर्षक विशेषता है।