Барои ҳамзамон гудохтани маводҳо дар ҳарду тарафи интерфейс ва барқарор кардани пайванди микроминтақавии қавӣ, нуқтаи фокусии лазер бояд дақиқ ба намуна равона карда шавад, ки ба дақиқии коркарди системаи кафшер талаботи сахтро ба миён меорад. Илова бар ин, аз сабаби градиенти калони шиддати меҳварии шуои Гаусс пас аз фокус, ҳарорати майдони фокусӣ нобаробар аст, ки онро ба пайдоиши нуқсонҳои микро ва нано-холӣ дар минтақаи аз лазер зарардида моил мекунад, ки ин ба сифати кафшери намуна таъсир мерасонад.
Технологияи шаклдиҳии нури фазоӣ метавонад барои тавлиди шуоъҳои Бессел бо тартиби сифр барои беҳтар кардани тақсимоти шиддати майдони фокусии лазер истифода шавад. Ин равиш градиенти шиддати меҳвариро кам мекунад ва дарозии фокусро дароз мекунад ва бо ин васила таносуби умқ ба паҳнои минтақаи таъсири гармиро, ки аз ҷониби лазер ташкил шудааст, зиёд мекунад. Дар натиҷа, он талаботи дақиқии фокускунии системаи кафшери лазерро коҳиш медиҳад ва ҳам сифат ва ҳам самаранокии кафшерро беҳтар мекунад.
1. Тавлид ва тарҳрезии параметрҳои шуоъҳои бесселии ғайридифрактсионӣ
Дар соли 1987, Дурнин бори аввал шуои Бесселро бо тартиби сифр пешниҳод кард, ки хосиятҳои беназири ғайридифраксиякунандаро нишон медиҳад: тақсимоти шиддати майдони нури кундаланги он ҳангоми паҳншавӣ бетағйир мемонад ва андозаи нуқтаи марказӣ ҳамеша ба ҳадди дифраксия наздик аст. Илова бар ин, шуоъҳои Бессел инчунин ҳангоми паҳншавӣ хосияти худшифоёбиро нишон медиҳанд. Вақте ки нуқтаи марказӣ баста мешавад, нури атроф ба сӯи марказ ҷамъ мешавад, то нуқтаи марказиро "таъмир" кунад. Ифодаи математикӣ барои тақсимоти майдони нури кундаланги шуои Бессел бо тартиби сифрӣ чунин аст:
Дар ифода:
- J0 функсияи Бессел бо тартиби сифрро нишон медиҳад.
- r ва φ мутаносибан унсурҳои координатаҳои радиалӣ ва кунҷӣ мебошанд.
- z масофаи паҳншавӣ аст.
- Kr ва Kz мутаносибан унсурҳои мавҷвектории кундалангӣ ва тӯлӣ мебошанд.
Нуқтаи асосии марказии шуои Бессел бо тартиби сифр қобилияти қавии маҳдудкунӣ дорад, ки имкон медиҳад, ки сатҳҳои нурпошии тартиби TW/см² ё баландтар ба вуҷуд оянд, ки метавонад ҷабби ғайрихаттиро дар маводҳо ба таври муассир ба вуҷуд орад. Муҳимтар аз ҳама, хусусияти паҳншавии ғайридифракционии шуои Бессел бо тартиби сифр чуқурии калонтари фокус ва градиенти хурдтари шиддати меҳвариро таъмин мекунад, ки бо ин васила майдони қариб якхелаи ҳароратро эҷод мекунад ва пайдоиши нуқсонҳои кафшерро пешгирӣ мекунад.
Дар расми зерин муқоисаи масофаи фокусии шуоъҳои Бессел ва шуоъҳои Гаусс дар зери як қобилияти маҳдудкунии кундаланг нишон дода шудааст. Шуоъҳои Бессел дорои чуқурии назарраси фокус мебошанд ва диаметри нуқтаи фокусии кундалангро дар сатҳи микрон нигоҳ медоранд.
Якчанд усулҳои тавлиди шуоъҳои Бессел бо тартиби сифр мавҷуданд ва се усули асосии зерин маъмуланд:
Усули апертураи ҳалқавӣ: Усули апертураи ҳалқавӣ, чунон ки аз номаш бармеояд, истифодаи сӯрохи ҳалқавиро барои истеҳсоли чӯбҳои Бессел дар бар мегирад. Ин инчунин аввалин усули муваффақи тавлиди чӯбҳои Бессел буд. Диаграммаи зер усули апертураи ҳалқавиро барои тавлиди чӯбҳои Бессел нишон медиҳад. Мавҷи ҳамвор аз тарафи чап ба таври амудӣ ба сӯрохи ҳалқавӣ меафтад ва дифракция ба амал меояд.
Баъд аз ин, линзаи мусбат табдили Фурьеро иҷро мекунад, ки дар натиҷа шуои Бессел дар паси линза пайдо мешавад. Масофаи паҳншавии ғайридифраксия Zmax бо диаметри d-и шикофи ҳалқавӣ ва диафрагмаи рақамии линза алоқаманд аст.
Гарчанде ки ин усул метавонад шуоъҳои Бесселро бо тартиби сифр тавлид кунад, самаранокии табдили энергия хеле паст аст, ки истифодаи онро дар соҳаҳои коркарди лазерӣ душвор мегардонад.
Усули Модулятори Нури Фазоӣ: Раванди тавлиди шуои Бессел бо тартиби сифрӣ асосан раванди тағир додани тақсимоти фазаи шуоъ аст. Аз ин рӯ, шуои Бессел бо тартиби сифрӣ низ метавонад бо истифода аз модулятори нури фазоӣ тавлид карда шавад. Модулятори нури фазоӣ як навъи дастгоҳи модулятсияи оптоэлектронӣ мебошад, ки шиддати майдони нур ва тақсимоти фазаро тавассути сигналҳои электрикӣ идора мекунад. Шуои Бессел бо тартиби сифрӣ метавонад бо истифода аз фазаи линзаи конусӣ, тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст, ба панели кории модулятори нури фазоӣ тавлид карда шавад.
Усули аксикон: Аксикон яке аз унсурҳои дифракциявии ғайрифаъоли маъмултарин дар асоси шиша барои тавлиди шуоъҳои Бессел мебошад. Вақте ки шуоъи Гаусс одатан ба аксикон афтад ва аз он гузарад, тақсимоти фазаи он модулятсия карда мешавад ва онро ба шуоъи Бессел бо тартиби сифр бе ягон талафоти энергия табдил медиҳад, чунон ки дар расми зер нишон дода шудааст.
Аз сабаби арзиши паст, осонии истифода ва остонаи баланди зарари лазерии аксиконҳои шишагӣ, инчунин самаранокии бениҳоят баланди истифодаи энергия, аксиконҳо интихоби асосӣ барои тавлиди шуоъҳои импулсии ултракӯтоҳи Бессел дар соҳаи коркарди лазерӣ мебошанд. Дар расми зер схемаи тангшавӣ ва интиқоли шуоъ дар шуоъи Бессел бо тартиби сифр нишон дода шудааст. Бо танзими калонкунӣ ва самти системаи тасвирии 4f, масофаи паҳншавии ғайридифрактсионӣ, кунҷи нимконус ва кунҷи майл дар самти паҳншавии шуоъи Бесселро ба осонӣ идора кардан мумкин аст.
Вақте ки шуои Бессел бо тартиби сифрӣ бо кунҷи нимконуси Ɵ1 ва масофаи паҳншавии бе дифракция Zmax аз системаи 4f, ки аз линза (L1) ва линзаи объективӣ (L2) иборат аст, мегузарад, андозаҳои геометрӣ боз ҳам фишурда мешаванд. Бузуркунии паҳлӯӣ тақрибан M=f1/f2=5 ва бузургкунии тӯлонии он тақрибан M2=25 аст. Ҳамин тариқ, тасвири ниҳоии шуои Бессел бо тартиби сифрӣ дар дохили намуна метавонад бо параметрҳои геометрӣ ифода карда шавад:
Параметрҳои геометрии шуои Бессел, ки дар дохили намунаи шишаи кварсӣ таҳти кунҷҳои гуногуни конусӣ ва бузургкунии фишурдашавии шуоъ тасвир шудаанд.
| кунҷи нӯги меҳварӣ α (°) | Радиуси шуоъи вурудӣ d(мм) | (умм) | M=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 | Соли 1555 | 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 | Соли 1747 | 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 |
Тақсимоти шиддати майдони фокусии шуои Бессел
- r ва z: Мутаносибан ҷузъҳои координатаҳои радиалӣ ва меҳварӣ.
- λ: Дарозии мавҷи марказии лазер.
- w: 1/e² радиуси шуои Гауссии афтанда.
- P0: Қувваи авҷи лазери импулси ултракӯтоҳ.
- β1: Кунҷи нимконуси шуоъи Бессел пас аз фишурдани шуоъ.
- k: Вектори мавҷ.
- J0: Функсияи Бессел бо тартиби сифрӣ.
Тақсимоти шиддати шуои Бессел бо тартиби сифр дар дохили шишаи кварсӣ: Дар тарафи чап тақсимоти зичии қувваи оптикӣ дар самти паҳншавӣ ва намуди буриши уфуқӣ ва дар тарафи рост тақсимоти зичии қувваи оптикӣ дар тӯли меҳвар ва намуди буриши уфуқӣ оварда шудаанд.
2. Хусусиятҳои шуои бесселии импулсии фемтосекундӣ дар шишаи гудохташудаи кремний
Дар расми (а) микрографҳои таъсири мутақобилаи байни шуоъҳои Бессел импулси фемтосония ва шишаи кремнийи гудохташуда дар энергияҳои гуногуни импулс нишон дода шудаанд. Паҳнои импулси лазер дар 220 фс собит аст ва кунҷи нимконуси шуоъи Бессел дар дохили намуна 12,4° аст. Мушоҳида кардан мумкин аст, ки минтақаи аз лазер зарардида сохтори хаттии якченака дорад. Вақте ки энергияи импулси лазер аз 9,5 мкҶ камтар аст, нишондиҳандаи шикасти мавод дар минтақаи фокусӣ меафзояд ва дар микрограф ҳамчун минтақаи сиёҳ пайдо мешавад.
Вақте ки энергияи импулси лазер аз 9,5 мкҶ зиёд мешавад, нишондиҳандаи шикасти мавод дар минтақаи фокусӣ кам мешавад ва дар микрограф ҳамчун минтақаи сафед пайдо мешавад ва дарозии минтақаи сафед бо афзоиши энергияи импулс зиёд мешавад. Бо сайқал додани намуна, мо хусусиятҳои морфологии минтақаи сафедро дар энергияи импулси 15,4 мкҶ дар зери микроскопи электронии сканкунанда мушоҳида кардем, чунон ки дар расми (b) нишон дода шудааст. Хулоса кардан мумкин аст, ки дар минтақа бо нишондиҳандаи шикасти пастшуда нанопора бо диаметри тақрибан 200 нм ташаккул меёбад.
Тавассути кандакории шуоъҳои ионӣ ва системаҳои мушоҳидаи микроскопи электронии сканеркунӣ дар ҷой, мо мавҷудияти нанопораро минбаъд тасдиқ кардем (Расми в). Аз ин рӯ, барои кам кардани пайдоиши нуқсонҳои аз лазер ба вуҷуд омада, энергияи ягонаи импулс ҳангоми кафшери лазерӣ набояд аз 9,5 мкҶ зиёд бошад.
3. Ба даст овардани кафшери микро-сифати баланд байни шишаҳои силикатӣ бо истифода аз лазери импулсии ултрашорти Бессел.
Дар расми (а) микрографияи сатҳи кафшери намуна аз боло нишон дода шудааст. Дидан мумкин аст, ки хати кафшери лазерӣ яксон ва ҳамвор аст. Гарчанде ки дар минтақаи кафшершуда ҳанӯз ҳам якчанд нуқсонҳои микросӯрохиҳои тасодуфӣ тақсимшуда мавҷуданд, дар маҷмӯъ, он нисбат ба хати кафшери лазерии Гауссӣ хеле беҳтар аст. Андозагирӣ нишон медиҳад, ки паҳнои хати кафшер тақрибан 18 мкм ва фосилаи байни хатҳои кафшер 40 мкм аст. Расми (б) микрографияи паҳлӯии хати кафшери намунаро нишон медиҳад.
Дидан мумкин аст, ки фосилаи байни намунаҳо пас аз коркарди лазерӣ комилан нопадид мешавад ва маводе, ки дар наздикии интерфейс ҷойгир аст, пас аз гузаштан аз раванди обшавии гармӣ-хунуккунии об ба як воҳиди ягона омехта шудааст. Андозагирӣ нишон медиҳад, ки умқи минтақаи обшавии гармии аз ҷониби лазер ба вуҷуд омада то 227 мкм мерасад. Ин нишон медиҳад, ки ҳангоми кафшери лазерӣ бо ин параметрҳо, умқи меҳварии мавқеи фокусӣ метавонад то 227 мкм расад, ки ин чор маротиба аз кафшери лазерии Гаусс дар ҳамон шароит зиёдтар аст.
4. Аз куҷо линзаҳои Бесселро харидан мумкин аст?
Ширкати Wavelength Opto-Electronic линзаҳои баландсифати Бесселро пешниҳод мекунад, ки дар коркарди лазерӣ истифода мешаванд. Танзими умқи фокуси шуоъи баромад тавассути танзими андозаи диаметри шуоъи вурудӣ хусусияти ҷолибтарини ин системаи оптикии шуоъи Бессел мебошад.
| Рақами қисм | Дарозии мавҷ (нм) | Масофаи корӣ (мм) | Диаметри максималии шуоъи вурудӣ (мм) | Чуқурии тарҳрезишудаи фокус (мм) | Дарозии умумӣ (мм) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Вақти нашр: 10 октябри соли 2024