Mbinu za Ubunifu wa Bessel Beam

Ili kuyeyusha vifaa pande zote mbili za kiolesura kwa wakati mmoja na kuanzisha dhamana ya eneo ndogo yenye nguvu ya juu, sehemu ya kuzingatia leza lazima ilengewe kwa usahihi kwenye sampuli, ambayo inaweka mahitaji makali juu ya usahihi wa usindikaji wa mfumo wa kulehemu. Zaidi ya hayo, kutokana na mteremko mkubwa wa nguvu ya mhimili wa boriti ya Gaussian baada ya kuzingatia, halijoto ya uwanja wa kuzingatia haina usawa, na kuifanya iwe rahisi kutengeneza kasoro ndogo na ndogo katika eneo lililoathiriwa na leza, ambalo huathiri ubora wa kulehemu wa sampuli.

Teknolojia ya uundaji wa mwanga wa anga inaweza kutumika kutengeneza mihimili ya Bessel isiyo na mpangilio wowote ili kuboresha usambazaji wa nguvu wa uwanja wa leza. Mbinu hii hupunguza mteremko wa nguvu ya axial na kupanua urefu wa kielekezi, na hivyo kuongeza uwiano wa kina-kwa-upana wa eneo la athari ya joto linaloundwa na leza. Matokeo yake, hupunguza mahitaji ya usahihi wa kulenga wa mfumo wa leza, na kuboresha ubora na ufanisi wa kulehemu.

1. Uundaji na Ubunifu wa Vigezo vya Mihimili ya Bessel Isiyo na Utofautishaji

Mnamo 1987, Durnin alipendekeza kwa mara ya kwanza boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri, ambayo inaonyesha sifa za kipekee zisizotenganisha: usambazaji wake wa nguvu ya uwanja wa mwanga unaovuka hubaki bila kubadilika wakati wa uenezaji, na ukubwa wa sehemu ya kati huwa karibu na kikomo cha uenezaji. Zaidi ya hayo, mihimili ya Bessel pia inaonyesha sifa ya kujiponya yenyewe wakati wa uenezaji. Wakati sehemu ya kati imezuiwa, mwanga unaozunguka utaungana kuelekea katikati ili "kurekebisha" sehemu ya kati. Usemi wa kihisabati wa usambazaji wa sehemu ya mwanga unaovuka wa boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri ni:

Katika usemi:

• J0 inawakilisha chaguo-msingi la Bessel la mpangilio sifuri.
• r na φ ni vipengele vya uratibu wa radial na angular, mtawalia.
• z ni umbali wa uenezaji.
• Kr na Kz ni vipengele vya vekta ya wimbi la mlalo na la muda mrefu, mtawalia.

Sehemu kuu ya katikati ya boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri ina uwezo mkubwa wa kufungia, ikiruhusu viwango vya mionzi ya mpangilio wa TW/cm² au zaidi, ambayo inaweza kuchochea kwa ufanisi unyonyaji usio wa mstari katika nyenzo. Muhimu zaidi, sifa ya uenezaji usio na mtawanyiko wa boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri hutoa kina kikubwa cha umakini na mteremko mdogo wa nguvu ya mhimili, hivyo kuunda uwanja wa joto karibu sawa na kukandamiza uundaji wa kasoro za kulehemu.

Mchoro ufuatao unaonyesha ulinganisho wa urefu wa kitovu cha mihimili ya Bessel na mihimili ya Gaussian chini ya uwezo sawa wa kufungia kwa njia ya kupita. Mihimili ya Bessel ina kina kikubwa cha umakini huku ikidumisha kipenyo cha sehemu ya kitovu cha kiwango cha mikroni kinachopita.

Kuna mbinu kadhaa za kutengeneza mihimili ya Bessel isiyo na mpangilio sifuri, na njia kuu tatu zifuatazo ni za kawaida:

Mbinu ya Kufungua Anuru: Mbinu ya kufungua anuru, kama jina linavyopendekeza, inahusisha kutumia mpasuko wa anuru kutoa mihimili ya Bessel. Hii pia ilikuwa njia ya kwanza iliyofanikiwa ya kutoa mihimili ya Bessel. Mchoro ulio hapa chini unaonyesha njia ya kufungua anuru kwa ajili ya kutoa mihimili ya Bessel. Wimbi la ndege hutokea kwa njia ya mkato kwenye mpasuko wa anuru kutoka kushoto na mtawanyiko hutokea.

Baadaye, lenzi chanya hufanya mabadiliko ya Fourier, na kusababisha uundaji wa boriti ya Bessel nyuma ya lenzi. Umbali wa uenezaji usio na mseto wa Zmax unahusiana na kipenyo cha d cha mpasuko wa annular na uwazi wa nambari wa lenzi.

Ingawa njia hii inaweza kutoa mihimili ya Bessel isiyo na mpangilio wowote, ufanisi wa ubadilishaji wa nishati ni mdogo sana, na hivyo kufanya iwe vigumu kutumia katika nyanja za usindikaji wa leza.

Mbinu ya Kidhibiti Mwanga wa Anga: Mchakato wa uzalishaji wa boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri kimsingi ni mchakato wa kubadilisha usambazaji wa awamu ya boriti. Kwa hivyo, boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri inaweza pia kuzalishwa kwa kutumia kidhibiti mwanga wa anga. Kidhibiti mwanga wa anga ni aina ya kifaa cha urekebishaji wa optoelectronic kinachodhibiti nguvu ya uwanja wa mwanga na usambazaji wa awamu kupitia mawimbi ya umeme. Boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri inaweza kuzalishwa kwa kutumia awamu ya lenzi ya koni, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini, kwenye paneli ya kazi ya kidhibiti mwanga wa anga.

Mbinu ya Axicon: Axicon ni mojawapo ya vipengele vya kusambaza vinavyotokana na kioo visivyotumika sana kwa ajili ya kutoa mihimili ya Bessel. Wakati boriti ya Gaussian kwa kawaida inapoingia na kupita kwenye axicon, usambazaji wake wa awamu hubadilishwa, na kuubadilisha kuwa boriti ya Bessel isiyo na mpangilio sifuri bila upotevu wowote wa nishati, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini.

Kutokana na gharama ya chini, urahisi wa matumizi, na kizingiti kikubwa cha uharibifu wa leza cha aksikoni za kioo, pamoja na ufanisi wao mkubwa wa matumizi ya nishati, aksikoni ndio chaguo kuu la kutoa mihimili ya Bessel yenye mapigo mafupi sana katika uwanja wa usindikaji wa leza. Mchoro ulio hapa chini unaonyesha mchoro wa kupungua kwa boriti na upitishaji wa boriti ya Bessel isiyo na mpangilio sifuri. Kwa kurekebisha ukuzaji na mwelekeo wa mfumo wa upigaji picha wa 4f, umbali wa uenezaji usio na mtawanyiko, pembe ya nusu-koni, na pembe ya kuinama katika mwelekeo wa uenezaji wa boriti ya Bessel unaweza kudhibitiwa kwa urahisi.

Wakati boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri yenye pembe ya nusu-koni ya Ɵ1 na umbali wa uenezaji usio na mtawanyiko wa Zmax unapita kwenye mfumo wa 4f unaoundwa na lenzi (L1) na lenzi lenye lengo (L2), vipimo vya kijiometri vitabanwa zaidi. Ukuzaji wa pembeni ni takriban M=f1/f2=5, na ukuzaji wa longitudinal ni takriban M2=25. Hivyo, picha ya mwisho ya boriti ya Bessel yenye mpangilio sifuri ndani ya sampuli inaweza kuwakilishwa na vigezo vya kijiometri:

Vigezo vya kijiometri vya boriti ya Bessel vilivyopigwa picha ndani ya sampuli ya glasi ya quartz chini ya pembe tofauti za koni na ukuzaji wa mgandamizo wa boriti.

Usambazaji wa nguvu ya uwanja wa kuzingatia wa boriti ya Bessel

• r na z: Vipengele vya kuratibu vya radial na axial, mtawalia.
• λ: Urefu wa wimbi la kati la leza.
• w: radius 1/e² ya boriti ya Gaussian iliyotokea.
• P0: Nguvu ya kilele ya leza ya mapigo mafupi sana.
• β1: Pembe ya nusu-koni ya boriti ya Bessel baada ya kubanwa kwa boriti.
• k: Vekta ya wimbi.
• J0: Kitendakazi cha Bessel cha mpangilio sifuri.

Usambazaji wa nguvu wa boriti ya Bessel isiyo na mpangilio sifuri ndani ya glasi ya quartz: Kushoto kuna usambazaji wa nguvu ya macho kando ya mwelekeo wa uenezaji na mwonekano wa sehemu mtambuka, na kulia kuna usambazaji wa nguvu ya macho kando ya mhimili na mwonekano wa sehemu mtambuka.

2. Sifa za Beam ya Femtosecond Pulse Bessel katika Kioo cha Silika Kilichounganishwa

Mchoro (a) unaonyesha mikrografu ya mwingiliano kati ya mapigo ya femtosecond Bessel beams na fused silika glass katika nishati tofauti za mapigo. Upana wa mapigo ya leza umewekwa kwa fs 220, na pembe ya nusu-koni ya boriti ya Bessel ndani ya sampuli ni 12.4°. Inaweza kuzingatiwa kuwa eneo lililoathiriwa na leza linaonyesha muundo wa kawaida wa mstari wa pande moja. Wakati nishati ya mapigo ya leza iko chini ya 9.5 μJ, faharisi ya kuakisi ya nyenzo katika eneo la kitovu huongezeka, ikionekana kama eneo jeusi kwenye mikrografu.

Wakati nishati ya mapigo ya leza inapozidi 9.5 μJ, faharasa ya kuakisi ya nyenzo katika eneo la kitovu hupungua, ikionekana kama eneo jeupe kwenye mikrografu, na urefu wa eneo jeupe huongezeka kadri nishati ya mapigo inavyoongezeka. Kwa kung'arisha sampuli, tuliona sifa za kimofolojia za eneo jeupe kwa nishati ya mapigo ya 15.4 μJ chini ya darubini ya elektroni ya kuchanganua, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro (b). Inaweza kuhitimishwa kuwa nanopore yenye kipenyo cha takriban 200 nm huundwa katika eneo hilo ikiwa na faharasa ya kuakisi iliyopunguzwa.

Kupitia mifumo ya uchunguzi wa darubini ya elektroni ya ioni na darubini ya ndani, tulithibitisha zaidi uwepo wa nanopore (Mchoro c). Kwa hivyo, ili kupunguza uzalishaji wa kasoro zinazosababishwa na leza, nishati ya mapigo moja haipaswi kuzidi 9.5 μJ wakati wa kulehemu kwa leza.

3. Kufikia Uunganishaji Mdogo wa Ubora wa Juu Kati ya Miwani ya Silika Iliyounganishwa kwa kutumia Bessel Ultrashort Pulse Laser.

Mchoro (a) unaonyesha mikrografu inayoonekana juu ya uso wa kulehemu wa sampuli. Inaweza kuonekana kwamba mstari wa kulehemu wa leza ni sawa na laini. Ingawa bado kuna kasoro chache za vinyweleo vya micropore zilizosambazwa bila mpangilio katika eneo lililounganishwa, kwa ujumla, ni bora zaidi kuliko mstari wa kulehemu wa leza wa Gaussian. Vipimo vinaonyesha kwamba upana wa mstari wa kulehemu ni takriban μm 18, na nafasi kati ya mistari ya kulehemu ni μm 40. Mchoro (b) unaonyesha mikrografu inayoonekana kando ya mstari wa kulehemu wa sampuli.

Inaweza kuonekana kwamba pengo kati ya sampuli hutoweka kabisa baada ya usindikaji wa leza, na nyenzo zilizo karibu na kiolesura zimeungana na kuwa kitu kimoja baada ya kupitia mchakato wa kuyeyuka na kupoeza kwa joto. Vipimo vinaonyesha kwamba kina cha eneo la kuyeyuka kwa joto linalosababishwa na leza hufikia hadi 227 μm. Hii inaonyesha kwamba wakati wa kulehemu kwa leza kwa kutumia vigezo hivi, kina cha mhimili cha nafasi ya fokasi kinaweza kufikia hadi 227 μm, ambacho ni mara nne zaidi ya kulehemu kwa leza ya Gaussian chini ya hali sawa.

4. Wapi pa kununua lenzi za Bessel?

Opto-Electronic ya Wavelength hutoa lenzi za Bessel zenye ubora wa hali ya juu zinazotumika katika matumizi ya usindikaji wa leza. Uwezo wa kurekebisha kina cha umakini wa boriti ya kutoa kwa kurekebisha ukubwa wa kipenyo cha boriti ya kuingiza ni sifa ya kuvutia zaidi ya mfumo huu wa macho wa boriti ya Bessel.