Bessel Beam ဒီဇိုင်းနည်းလမ်းများ

မျက်နှာပြင်၏ နှစ်ဖက်စလုံးရှိ ပစ္စည်းများကို တစ်ပြိုင်နက်တည်း အရည်ပျော်စေပြီး မြင့်မားသောအစွမ်းသတ္တိရှိသော အဏုကြည့်မှန်ပြောင်းဖြင့် ချိတ်ဆက်မှုကို တည်ဆောက်ရန်အတွက် လေဆာ၏ အဓိကအချက်ကို နမူနာပေါ်တွင် တိကျစွာ အာရုံစိုက်ထားရမည်ဖြစ်ပြီး ၎င်းသည် ဂဟေဆက်ခြင်းစနစ်၏ လုပ်ဆောင်မှုတိကျမှုအပေါ် တင်းကျပ်သော လိုအပ်ချက်များကို ဖြစ်ပေါ်စေပါသည်။ ထို့အပြင်၊ အာရုံစိုက်ပြီးနောက် Gaussian ရောင်ခြည်၏ axial intensity gradient ကြီးမားမှုကြောင့်၊ အဓိကစက်ကွင်းအပူချိန်သည် မညီမျှသောကြောင့် လေဆာသက်ရောက်မှုရှိသော ဧရိယာတွင် အဏုကြည့်မှန်ပြောင်းဖြင့် ချိတ်ဆက်ထားသော နှင့် နာနိုအပေါက်ငယ်များ ဖြစ်ပေါ်စေပြီး ၎င်းသည် နမူနာ၏ ဂဟေဆက်ခြင်း အရည်အသွေးကို ထိခိုက်စေပါသည်။

လေဆာ focal field ရဲ့ intensity distribution ကို အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် လုပ်ဆောင်ဖို့အတွက် zero-order Bessel beams တွေကို ထုတ်လုပ်ဖို့ Spatial light shaping နည်းပညာကို အသုံးပြုနိုင်ပါတယ်။ ဒီနည်းလမ်းက axial intensity gradient ကို လျော့ကျစေပြီး focal length ကို တိုးချဲ့ပေးတာကြောင့် လေဆာက ဖွဲ့စည်းထားတဲ့ thermal effect region ရဲ့ depth-to-width ratio ကို တိုးစေပါတယ်။ ရလဒ်အနေနဲ့ လေဆာ welding system ရဲ့ focusing accuracy လိုအပ်ချက်တွေကို လျော့ကျစေပြီး welding quality နဲ့ efficiency နှစ်မျိုးလုံးကို တိုးတက်စေပါတယ်။

၁။ ကွဲအက်ခြင်းမရှိသော Bessel Beams များ၏ ထုတ်လုပ်မှုနှင့် ကန့်သတ်ချက်ဒီဇိုင်း

၁၉၈၇ ခုနှစ်တွင် Durnin သည် သုညအဆင့် Bessel ရောင်ခြည်ကို ပထမဆုံးအဆိုပြုခဲ့ပြီး ၎င်းသည် ထူးခြားသော ရောင်ပြန်ဟပ်မှုမရှိသော ဂုဏ်သတ္တိများကို ပြသသည်- ၎င်း၏ transverse light field intensity distribution သည် ပျံ့နှံ့နေစဉ်အတွင်း မပြောင်းလဲဘဲ ရှိနေပြီး အလယ်ဗဟိုအစက်၏ အရွယ်အစားသည် diffraction limit နှင့် အမြဲတမ်းနီးကပ်သည်။ ထို့အပြင်၊ Bessel ရောင်ခြည်များသည် ပျံ့နှံ့နေစဉ်အတွင်း ကိုယ်တိုင်ကုသနိုင်သော ဂုဏ်သတ္တိကိုလည်း ပြသသည်။ အလယ်ဗဟိုအစက် ပိတ်ဆို့နေသောအခါ၊ ပတ်ဝန်းကျင်ရှိ အလင်းရောင်သည် အလယ်ဗဟိုသို့ စုရုံးလာပြီး အလယ်ဗဟိုအစက်ကို "ပြုပြင်" လိမ့်မည်။ သုညအဆင့် Bessel ရောင်ခြည်၏ transverse light field distribution အတွက် သင်္ချာဆိုင်ရာ ဖော်ပြချက်မှာ-

အသုံးအနှုန်းတွင်-

• J0 ​သည် သုညအစီအစဥ် Bessel လုပ်ဆောင်ချက်ကို ကိုယ်စားပြုသည်။
• r နှင့် φ တို့သည် အသီးသီး radial နှင့် angular coordinate element များဖြစ်သည်။
• z သည် ပျံ့နှံ့မှုအကွာအဝေးဖြစ်သည်။
• Kr နှင့် Kz ​တို့သည် အသီးသီး transverse နှင့် longitudinal wavevector element များဖြစ်သည်။

သုညအဆင့် Bessel ရောင်ခြည်၏ အလယ်ဗဟိုအဓိကနေရာသည် ခိုင်မာသော ထိန်းချုပ်နိုင်စွမ်းရှိပြီး TW/cm² သို့မဟုတ် ထို့ထက်ပိုသော ရောင်ခြည်အဆင့်များကို ခွင့်ပြုပေးပြီး ပစ္စည်းများတွင် မျဉ်းမတော်သော စုပ်ယူမှုကို ထိရောက်စွာ လှုံ့ဆော်ပေးနိုင်သည်။ ထို့ထက်အရေးကြီးသည်မှာ သုညအဆင့် Bessel ရောင်ခြည်များ၏ မမှန်သော ပျံ့နှံ့မှုဝိသေသလက္ခဏာသည် အာရုံစူးစိုက်မှုအနက် ပိုမိုကြီးမားပြီး ဝင်ရိုးပြင်းထန်မှု gradient ပိုမိုသေးငယ်သောကြောင့် အပူချိန်စက်ကွင်းတစ်ခုနီးပါးကို ဖန်တီးပေးပြီး ဂဟေဆက်ခြင်းချို့ယွင်းချက်များ ဖွဲ့စည်းခြင်းကို ဖိနှိပ်ပေးသည်။

အောက်ပါပုံတွင် Bessel beams နှင့် Gaussian beams များ၏ focal length ကို transverse confinement capability တူညီစွာအောက်တွင် နှိုင်းယှဉ်ပြသထားသည်။ Bessel beams များသည် transverse micron-level focal spot diameter ကို ထိန်းသိမ်းထားစဉ်တွင် သိသာထင်ရှားသော depth of focus ရှိသည်။

zero-order Bessel beams များထုတ်လုပ်ရန် နည်းလမ်းများစွာရှိပြီး အောက်ပါအဓိကနည်းလမ်းသုံးခုမှာ အသုံးများပါသည်။

Annular Aperture နည်းလမ်း- annular aperture နည်းလမ်းတွင် အမည်အတိုင်း Bessel beams များထုတ်လုပ်ရန် annular slit ကိုအသုံးပြုခြင်းပါဝင်သည်။ ၎င်းသည် Bessel beams များထုတ်လုပ်ရန် ပထမဆုံးအောင်မြင်သောနည်းလမ်းလည်းဖြစ်သည်။ အောက်ပါပုံတွင် Bessel beams များထုတ်လုပ်ရန် annular aperture နည်းလမ်းကို ဖော်ပြထားသည်။ ဘယ်ဘက်မှ annular slit ပေါ်သို့ ထောင့်မှန်ကျကျ မျက်နှာပြင်လှိုင်းတစ်ခု ကျရောက်ပြီး diffraction ဖြစ်ပေါ်သည်။

ထို့နောက်တွင်၊ အပေါင်းမှန်ဘီလူးသည် Fourier transform ကိုလုပ်ဆောင်ပြီး မှန်ဘီလူးနောက်ကွယ်တွင် Bessel ရောင်ခြည်ဖွဲ့စည်းမှုကို ဖြစ်ပေါ်စေသည်။ non-diffraction propagation distance Zmax ​သည် annular slit ၏ အချင်း d နှင့် မှန်ဘီလူး၏ numerical aperture နှင့် ဆက်စပ်နေသည်။

ဤနည်းလမ်းသည် သုညအစဉ်လိုက် Bessel ရောင်ခြည်များကို ထုတ်လုပ်နိုင်သော်လည်း စွမ်းအင်ပြောင်းလဲမှု ထိရောက်မှုမှာ အလွန်နည်းပါးသောကြောင့် လေဆာလုပ်ဆောင်ခြင်းနယ်ပယ်များတွင် အသုံးချရန် ခက်ခဲစေသည်။

Spatial Light Modulator နည်းလမ်း- zero-order Bessel beam ထုတ်လုပ်ခြင်းလုပ်ငန်းစဉ်သည် အခြေခံအားဖြင့် beam ၏ phase distribution ကိုပြောင်းလဲခြင်းလုပ်ငန်းစဉ်တစ်ခုဖြစ်သည်။ ထို့ကြောင့်၊ spatial light modulator ကို အသုံးပြု၍ zero-order Bessel beam ကိုလည်း ထုတ်လုပ်နိုင်သည်။ spatial light modulator သည် electrical signal များမှတစ်ဆင့် light field ၏ intensity နှင့် phase distribution ကို ထိန်းချုပ်သည့် optoelectronic modulation device အမျိုးအစားတစ်ခုဖြစ်သည်။ အောက်ပါပုံတွင်ပြထားသည့်အတိုင်း spatial light modulator ၏ working panel သို့ conical lens phase ကို အသုံးပြုခြင်းဖြင့် zero-order Bessel beam ကို ထုတ်လုပ်နိုင်သည်။

Axicon နည်းလမ်း- axicon သည် Bessel beams များထုတ်လုပ်ရန်အတွက် အသုံးအများဆုံး passive glass-based diffractive element များထဲမှ တစ်ခုဖြစ်သည်။ Gaussian beam တစ်ခုသည် ပုံမှန်အားဖြင့် axicon တစ်ခုပေါ်တွင် ကျရောက်ပြီး ဖြတ်သန်းသွားသောအခါ၊ ၎င်း၏ phase distribution ကို modulate လုပ်ကာ အောက်ပါပုံတွင်ပြထားသည့်အတိုင်း စွမ်းအင်ဆုံးရှုံးမှုမရှိဘဲ zero-order Bessel beam အဖြစ်သို့ ပြောင်းလဲပေးသည်။

ဖန် axicons များ၏ ကုန်ကျစရိတ်နည်းပါးခြင်း၊ အသုံးပြုရလွယ်ကူခြင်းနှင့် လေဆာပျက်စီးမှု မြင့်မားခြင်းအပြင် ၎င်းတို့၏ အလွန်မြင့်မားသော စွမ်းအင်အသုံးချမှု ထိရောက်မှုကြောင့် axicons များသည် လေဆာလုပ်ငန်းစဉ်နယ်ပယ်တွင် ultrashort pulse Bessel beams များထုတ်လုပ်ရန်အတွက် အဓိကရွေးချယ်မှုဖြစ်သည်။ အောက်ပါပုံတွင် zero-order Bessel beam ၏ beam ကျဉ်းမြောင်းခြင်းနှင့် ပို့လွှတ်ခြင်း၏ ပုံစံကို ပြသထားသည်။ 4f imaging system ၏ magnification နှင့် orientation ကို ချိန်ညှိခြင်းဖြင့်၊ Bessel beam ၏ propagation direction ရှိ non-diffractive propagation distance၊ half-cone angle နှင့် tilt angle တို့ကို အလွယ်တကူ ထိန်းချုပ်နိုင်သည်။

ብ1 ၏ half-cone angle နှင့် Zmax ၏ diffraction-free propagation distance ရှိသော zero-order Bessel beam သည် မှန်ဘီလူး (L1) နှင့် objective lens (L2) တို့ဖြင့် ဖွဲ့စည်းထားသော 4f စနစ်မှတစ်ဆင့် ဖြတ်သန်းသွားသောအခါ၊ geometric dimension များသည် ပိုမိုချုံ့သွားမည်ဖြစ်သည်။ lateral magnification သည် M=f1/f2=5 ခန့်ဖြစ်ပြီး longitudinal magnification သည် M2=25 ခန့်ဖြစ်သည်။ ထို့ကြောင့်၊ နမူနာအတွင်းရှိ zero-order Bessel beam ၏ နောက်ဆုံးပုံရိပ်ကို geometric parameters များဖြင့် ကိုယ်စားပြုနိုင်သည်-

မတူညီသော cone angle များနှင့် beam compression magnification များအောက်တွင် quartz glass နမူနာအတွင်း ရိုက်ကူးထားသော Bessel beam ၏ geometric parameters များ။

Bessel ရောင်ခြည်၏ အာရုံစူးစိုက်မှုစက်ကွင်းပြင်းထန်မှု ဖြန့်ဖြူးမှု

• r နှင့် z: ရေဒီယယ်နှင့် ဝင်ရိုးကိုဩဒိနိတ် အစိတ်အပိုင်းများ အသီးသီး။
• λ: လေဆာ၏ အလယ်ဗဟိုလှိုင်းအလျား။
• w: ကျရောက်သော Gaussian beam ၏ အချင်းဝက် 1/e²။
• P0: အလွန်တိုတောင်းသော pulse laser ၏ အမြင့်ဆုံးစွမ်းအား။
• β1: ရောင်ခြည်ဖိသိပ်ပြီးနောက် Bessel ရောင်ခြည်၏ တစ်ဝက်ကုန်းထောင့်။
• k: လှိုင်း ဗက်တာ။
• J0: သုညအစီအစဥ် Bessel လုပ်ဆောင်ချက်။

ကွာ့ဇ်ဖန်အတွင်းရှိ သုညအဆင့် Bessel ရောင်ခြည်၏ ပြင်းအားဖြန့်ဖြူးမှု- ဘယ်ဘက်တွင် ပျံ့နှံ့မှုဦးတည်ချက်နှင့် ဖြတ်ပိုင်းမြင်ကွင်းတစ်လျှောက်ရှိ optical power density ဖြန့်ဖြူးမှုဖြစ်ပြီး ညာဘက်တွင် ဝင်ရိုးနှင့် ဖြတ်ပိုင်းမြင်ကွင်းတစ်လျှောက်ရှိ optical power density ဖြန့်ဖြူးမှုဖြစ်သည်။

၂။ ဖျူးစ်ထားသော ဆီလီကာဖန်သားတွင် Femtosecond Pulse Bessel Beam ၏ ဝိသေသလက္ခဏာများ

ပုံ (က) သည် femtosecond pulse Bessel beams များနှင့် fused silica glass အကြား မတူညီသော pulse energies များတွင် interaction ၏ micrograph များကို ပြသထားသည်။ laser pulse width ကို 220 fs တွင် fixed ထားပြီး sample အတွင်းရှိ Bessel beam ၏ half-cone angle သည် 12.4° ဖြစ်သည်။ laser ထိခိုက်ခံရသော ဧရိယာသည် ပုံမှန် one-dimensional linear structure ကို ပြသသည်ကို သတိပြုမိနိုင်သည်။ laser pulse energy သည် 9.5 μJ ထက်နည်းသောအခါ၊ focal region ရှိ material ၏ refractive index တိုးလာပြီး micrograph တွင် black region အဖြစ် ပေါ်လာသည်။

လေဆာ pulse စွမ်းအင် 9.5 μJ ထက်ကျော်လွန်သောအခါ၊ focal region ရှိ ပစ္စည်း၏ refractive index လျော့ကျလာပြီး micrograph တွင် အဖြူရောင်ဒေသအဖြစ် ပေါ်လာပြီး pulse စွမ်းအင်တိုးလာသည်နှင့်အမျှ အဖြူရောင်ဒေသ၏ အရှည်တိုးလာသည်။ နမူနာကို ඔප දැමීමීමීමීමීමීමဖြင့်၊ ပုံ (ခ) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း scanning electron microscope အောက်တွင် 15.4 μJ pulse စွမ်းအင်ဖြင့် အဖြူရောင်ဒေသ၏ morphological ဝိသေသလက္ခဏာများကို ကျွန်ုပ်တို့ တွေ့ရှိခဲ့သည်။ refractive index လျော့နည်းသောဒေသတွင် အချင်း 200 nm ခန့်ရှိသော nanopore တစ်ခု ဖွဲ့စည်းထားသည်ဟု ကောက်ချက်ချနိုင်သည်။

အိုင်းယွန်းရောင်ခြည်ထွင်းခြင်းနှင့် အတွင်းပိုင်းစကင်န်ကင်န်အီလက်ထရွန်မိုက်ခရိုစကုပ်စောင့်ကြည့်ရေးစနစ်များမှတစ်ဆင့်၊ ကျွန်ုပ်တို့သည် နာနိုပေါက်ရှိနေခြင်းကို ထပ်မံအတည်ပြုခဲ့သည် (ပုံ c)။ ထို့ကြောင့် လေဆာဖြင့်ဖြစ်ပေါ်လာသော ချို့ယွင်းချက်များဖြစ်ပေါ်ခြင်းကို လျှော့ချရန်အတွက် လေဆာဂဟေဆော်စဉ်အတွင်း တစ်ခုတည်းသော pulse စွမ်းအင်သည် 9.5 μJ ထက် မပိုသင့်ပါ။

၃။ Bessel Ultrashort Pulse Laser ကိုအသုံးပြု၍ Fused Silica Glasses များအကြား အရည်အသွေးမြင့် Micro-Welding ရရှိစေခြင်း။

ပုံ (က) သည် နမူနာ၏ ဂဟေဆက်မျက်နှာပြင်၏ အပေါ်မှ မြင်ကွင်း အဏုကြည့်မှန်ပြောင်းကို ပြသထားသည်။ လေဆာဂဟေဆက်မျဉ်းသည် တစ်ပြေးညီဖြစ်ပြီး ချောမွေ့နေသည်ကို မြင်နိုင်သည်။ ဂဟေဆက်ထားသော နေရာတွင် ကျပန်းဖြန့်ဝေထားသော အပေါက်ငယ်များ ချို့ယွင်းချက် အနည်းငယ်ရှိနေသေးသော်လည်း အလုံးစုံအားဖြင့် Gaussian laser ဂဟေဆက်မျဉ်းထက် သိသိသာသာ ပိုကောင်းသည်။ တိုင်းတာမှုများအရ ဂဟေဆက်မျဉ်းအကျယ်သည် 18 μm ခန့်ရှိပြီး ဂဟေဆက်မျဉ်းများကြား အကွာအဝေးမှာ 40 μm ရှိကြောင်း ပြသသည်။ ပုံ (ခ) သည် နမူနာ၏ ဂဟေဆက်မျဉ်း၏ ဘေးမှမြင်ကွင်း အဏုကြည့်မှန်ပြောင်းကို ပြသထားသည်။

လေဆာလုပ်ဆောင်ပြီးနောက် နမူနာများကြားရှိ ကွာဟချက်သည် လုံးဝပျောက်ကွယ်သွားပြီး အပူအရည်ပျော်အအေးပေးသည့်လုပ်ငန်းစဉ်ကို ဖြတ်သန်းပြီးနောက် မျက်နှာပြင်အနီးရှိ ပစ္စည်းသည် တစ်ခုတည်းသောအရာအဖြစ် ပေါင်းစည်းသွားသည်ကို မြင်တွေ့နိုင်သည်။ တိုင်းတာမှုများအရ လေဆာဖြင့် လှုံ့ဆော်ပေးသော အပူအရည်ပျော်ဒေသ၏ အနက်သည် 227 μm အထိ ရောက်ရှိကြောင်း ဖော်ပြသည်။ ဤကန့်သတ်ချက်များဖြင့် လေဆာဂဟေဆော်စဉ်အတွင်း အာရုံစူးစိုက်မှု၏ ဝင်ရိုးအနက်သည် 227 μm အထိ ရောက်ရှိနိုင်ကြောင်း ညွှန်ပြနေပြီး ၎င်းသည် တူညီသောအခြေအနေများတွင် Gaussian လေဆာဂဟေဆော်ခြင်းထက် လေးဆပိုမိုမြင့်မားသည်။

၄။ Bessel မှန်ဘီလူးများကို ဘယ်မှာဝယ်ရမလဲ။

Wavelength Opto-Electronic သည် လေဆာလုပ်ဆောင်ခြင်းအပလီကေးရှင်းများတွင်အသုံးပြုသည့် အရည်အသွေးမြင့် Bessel မှန်ဘီလူးများကို ပေးဆောင်သည်။ အဝင် beam အချင်း၏ အရွယ်အစားကို ချိန်ညှိခြင်းဖြင့် output beam ၏ အာရုံစူးစိုက်မှုအနက်ကို ချိန်ညှိနိုင်ခြင်းမှာ ဤ Bessel beam optical စနစ်၏ ဆွဲဆောင်မှုအရှိဆုံးအင်္ဂါရပ်ဖြစ်သည်။