بیسل بیم ڈیزائن کے طریقے

انٹرفیس کے دونوں اطراف کے مواد کو بیک وقت پگھلانے اور ایک اعلیٰ طاقت کا مائیکرو ریجن بانڈ قائم کرنے کے لیے، لیزر فوکل پوائنٹ کو نمونے پر خاص طور پر فوکس کرنا چاہیے، جو ویلڈنگ سسٹم کی پروسیسنگ کی درستگی پر سخت مطالبات عائد کرتا ہے۔ مزید برآں، توجہ مرکوز کرنے کے بعد گاوسی بیم کے بڑے محوری شدت کے میلان کی وجہ سے، فوکل فیلڈ کا درجہ حرارت غیر مساوی ہے، جس سے یہ لیزر سے متاثرہ علاقے میں مائیکرو اور نینو وائڈ نقائص پیدا کرنے کا خطرہ بنتا ہے، جس کے نتیجے میں نمونے کی ویلڈنگ کے معیار پر اثر پڑتا ہے۔

لیزر فوکل فیلڈ کی شدت کی تقسیم کو بہتر بنانے کے لیے مقامی روشنی کی شکل دینے والی ٹیکنالوجی کو زیرو آرڈر بیسل بیم بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ یہ نقطہ نظر محوری شدت کے میلان کو کم کرتا ہے اور فوکل کی لمبائی کو بڑھاتا ہے، اس طرح لیزر کے ذریعہ بننے والے تھرمل اثر والے علاقے کی گہرائی سے چوڑائی کے تناسب میں اضافہ ہوتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، یہ لیزر ویلڈنگ سسٹم کی توجہ مرکوز کرنے والی درستگی کی ضروریات کو کم کرتا ہے، جس سے ویلڈنگ کے معیار اور کارکردگی دونوں میں بہتری آتی ہے۔

1. غیر منحرف بیسل بیم کی جنریشن اور پیرامیٹر ڈیزائن

1987 میں، ڈرنن نے پہلی بار زیرو آرڈر بیسل بیم کی تجویز پیش کی، جو منفرد غیر متضاد خصوصیات کو ظاہر کرتی ہے: پھیلاؤ کے دوران اس کی ٹرانسورس لائٹ فیلڈ کی شدت کی تقسیم میں کوئی تبدیلی نہیں ہوتی، اور مرکزی جگہ کا سائز ہمیشہ تفاوت کی حد کے قریب ہوتا ہے۔ مزید برآں، بیسل بیم پروپیگنڈے کے دوران خود کو شفا بخشنے والی خاصیت کی بھی نمائش کرتے ہیں۔ جب مرکزی جگہ رکاوٹ بنتی ہے، تو آس پاس کی روشنی مرکزی جگہ کی "مرمت" کرنے کے لیے مرکز کی طرف جاتی ہے۔ زیرو آرڈر بیسل بیم کی ٹرانسورس لائٹ فیلڈ ڈسٹری بیوشن کے لیے ریاضیاتی اظہار ہے:

اظہار میں:

• J0 زیرو آرڈر بیسل فنکشن کی نمائندگی کرتا ہے۔
• r اور φ بالترتیب ریڈیل اور کونیی کوآرڈینیٹ عناصر ہیں۔
• z پھیلاؤ کا فاصلہ ہے۔
• Kr اور Kz بالترتیب قاطع اور طول بلد لہر ویکٹر عناصر ہیں۔

زیرو آرڈر بیسل بیم کا مرکزی مرکزی مقام ایک مضبوط قید کی صلاحیت رکھتا ہے، جو TW/cm² یا اس سے زیادہ کے آرڈر کی شعاع ریزی کی سطح کو اجازت دیتا ہے، جو مواد میں غیر لکیری جذب کو مؤثر طریقے سے اکساتی ہے۔ اس سے بھی اہم بات یہ ہے کہ زیرو آرڈر بیسل بیم کی غیر متضاد پھیلاؤ کی خصوصیت فوکس کی ایک بڑی گہرائی اور ایک چھوٹا محوری شدت کا میلان فراہم کرتی ہے، اس طرح تقریباً یکساں درجہ حرارت کا میدان بناتا ہے اور ویلڈنگ کے نقائص کی تشکیل کو دباتا ہے۔

مندرجہ ذیل اعداد و شمار ایک ہی ٹرانسورس قید کی صلاحیت کے تحت بیسل بیم اور گاوسی بیم کی فوکل لمبائی کا موازنہ دکھاتا ہے۔ بیسل بیم ایک ٹرانسورس مائکرون لیول فوکل اسپاٹ قطر کو برقرار رکھتے ہوئے فوکس کی کافی گہرائی رکھتے ہیں۔

زیرو آرڈر بیسل بیم بنانے کے کئی طریقے ہیں، اور درج ذیل تین اہم طریقے عام ہیں:

اینولر یپرچر کا طریقہ: اینولر یپرچر کا طریقہ، جیسا کہ نام سے پتہ چلتا ہے، بیسل بیم تیار کرنے کے لیے ایک اینولر سلٹ کا استعمال شامل ہے۔ یہ بیسل بیم بنانے کا پہلا کامیاب طریقہ بھی تھا۔ نیچے دیا گیا خاکہ بیسل بیم بنانے کے لیے اینولر یپرچر طریقہ کی وضاحت کرتا ہے۔ ہوائی جہاز کی لہر بائیں طرف سے کنڈلی سلٹ پر کھڑے طور پر واقع ہوتی ہے اور پھیلاؤ ہوتا ہے۔

اس کے بعد، ایک مثبت لینس فوئیر ٹرانسفارم کرتا ہے، جس کے نتیجے میں لینس کے پیچھے بیسل بیم بنتا ہے۔ غیر متضاد پھیلاؤ کا فاصلہ Zmax کا تعلق کنڈلی سلٹ کے قطر d اور عینک کے عددی یپرچر سے ہے۔

اگرچہ یہ طریقہ زیرو آرڈر بیسل بیم بنا سکتا ہے، لیکن توانائی کی تبدیلی کی کارکردگی انتہائی کم ہے، جس سے لیزر پروسیسنگ کے شعبوں میں لاگو کرنا مشکل ہو جاتا ہے۔

اسپیشل لائٹ ماڈیولیٹر طریقہ: زیرو آرڈر بیسل بیم کا جنریشن عمل بنیادی طور پر بیم کی فیز ڈسٹری بیوشن کو تبدیل کرنے کا عمل ہے۔ لہذا، ایک صفر آرڈر بیسل بیم بھی ایک مقامی روشنی ماڈیولیٹر کا استعمال کرتے ہوئے پیدا کیا جا سکتا ہے۔ ایک مقامی روشنی ماڈیولیٹر ایک قسم کا آپٹو الیکٹرانک ماڈیولیشن ڈیوائس ہے جو روشنی کے میدان کی شدت اور مرحلے کی تقسیم کو برقی سگنلز کے ذریعے کنٹرول کرتا ہے۔ مخروطی لینس کے مرحلے کو لاگو کر کے زیرو آرڈر بیسل بیم تیار کیا جا سکتا ہے، جیسا کہ ذیل کی تصویر میں دکھایا گیا ہے، مقامی لائٹ ماڈیولیٹر کے ورکنگ پینل پر۔

Axicon طریقہ: Axicon بیسل بیم بنانے کے لیے عام طور پر استعمال ہونے والے غیر فعال شیشے پر مبنی تفریق عناصر میں سے ایک ہے۔ جب ایک گاوسی بیم عام طور پر واقع ہوتا ہے اور ایک ایکسیکون سے گزرتا ہے، تو اس کی فیز ڈسٹری بیوشن کو ماڈیول کیا جاتا ہے، جو اسے بغیر کسی توانائی کے نقصان کے ایک زیرو آرڈر بیسل بیم میں بدل دیتا ہے، جیسا کہ نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔

کم قیمت، استعمال میں آسانی، اور شیشے کے محوروں کی اعلی لیزر نقصان کی حد کے ساتھ ساتھ ان کی غیر معمولی طور پر اعلی توانائی کے استعمال کی کارکردگی کی وجہ سے، ایکسیکنز لیزر پروسیسنگ کے میدان میں الٹرا شارٹ پلس بیسل بیم بنانے کے لیے بنیادی انتخاب ہیں۔ زیرو آرڈر بیسل بیم کی بیم کو تنگ کرنے اور ٹرانسمیشن کی اسکیمیٹک ذیل کی تصویر دکھاتی ہے۔ 4f امیجنگ سسٹم کی میگنیفیکیشن اور واقفیت کو ایڈجسٹ کرکے، غیر متضاد پھیلاؤ کا فاصلہ، نصف مخروطی زاویہ، اور بیسل بیم کے پھیلاؤ کی سمت میں جھکاؤ کے زاویے کو آسانی سے کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔

جب Ɵ1 کے نصف مخروطی زاویہ کے ساتھ ایک زیرو آرڈر بیسل بیم اور Zmax کے پھیلاؤ سے پاک پھیلاؤ کا فاصلہ لینس (L1) اور ایک معروضی لینس (L2) پر مشتمل 4f سسٹم سے گزرتا ہے، تو جیومیٹرک ڈائمینشنز کو مزید کمپریس کیا جائے گا۔ لیٹرل میگنیفیکیشن تقریباً M=f1/f2=5 ہے، اور طول بلد میگنیفیکیشن تقریباً M2=25 ہے۔ اس طرح، نمونے کے اندر زیرو آرڈر بیسل بیم کی حتمی امیجنگ جیومیٹرک پیرامیٹرز سے ظاہر کی جا سکتی ہے:

بیسل بیم کے جیومیٹرک پیرامیٹرز کو کوارٹج شیشے کے نمونے کے اندر مختلف مخروطی زاویوں اور بیم کمپریشن میگنیفیکیشن کے تحت امیج کیے گئے ہیں۔

بیسل بیم کی فوکس فیلڈ کی شدت کی تقسیم

• r اور z: بالترتیب ریڈیل اور محوری کوآرڈینیٹ اجزاء۔
• λ: لیزر کی مرکزی طول موج۔
• w: واقعہ گاوسی بیم کا 1/e² رداس۔
• P0: الٹرا شارٹ پلس لیزر کی چوٹی کی طاقت۔
• β1: بیم کمپریشن کے بعد بیسل بیم کا نصف مخروطی زاویہ۔
• k: لہر ویکٹر۔
• J0: زیرو آرڈر بیسل فنکشن۔

کوارٹج گلاس کے اندر زیرو آرڈر بیسل بیم کی شدت کی تقسیم: بائیں جانب آپٹیکل پاور ڈینسٹی ڈسٹری بیوشن پروپیگیشن سمت اور کراس سیکشنل ویو کے ساتھ ہے، اور دائیں جانب محور کے ساتھ آپٹیکل پاور ڈینسٹی ڈسٹری بیوشن اور کراس سیکشنل ویو ہیں۔

2. فیوزڈ سلیکا گلاس میں فیمٹوسیکنڈ پلس بیسل بیم کی خصوصیات

شکل (a) مختلف نبض کی توانائیوں پر فیمٹوسیکنڈ پلس بیسل بیم اور فیوزڈ سلیکا گلاس کے درمیان تعامل کے مائیکرو گرافس کو دکھاتی ہے۔ لیزر پلس کی چوڑائی 220 fs پر طے کی گئی ہے، اور نمونے کے اندر بیسل بیم کا نصف مخروطی زاویہ 12.4° ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ لیزر سے متاثرہ خطہ ایک عام ایک جہتی لکیری ڈھانچے کی نمائش کرتا ہے۔ جب لیزر پلس انرجی 9.5 μJ سے کم ہوتی ہے، تو فوکل ریجن میں مواد کا ریفریکٹیو انڈیکس بڑھ جاتا ہے، جو مائیکرو گراف میں سیاہ خطے کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔

جب لیزر پلس انرجی 9.5 μJ سے تجاوز کر جاتی ہے، تو فوکل ریجن میں مواد کا ریفریکٹیو انڈیکس کم ہو جاتا ہے، جو مائیکروگراف میں سفید ریجن کے طور پر ظاہر ہوتا ہے، اور پلس انرجی بڑھنے کے ساتھ سفید ریجن کی لمبائی بڑھ جاتی ہے۔ نمونے کو چمکانے سے، ہم نے ایک سکیننگ الیکٹران مائکروسکوپ کے تحت 15.4 μJ کی نبض کی توانائی پر سفید خطے کی شکلیاتی خصوصیات کا مشاہدہ کیا، جیسا کہ شکل (b) میں دکھایا گیا ہے۔ یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے کہ تقریباً 200 nm کے قطر کے ساتھ ایک نینو پور اس خطے میں کم ریفریکٹیو انڈیکس کے ساتھ بنتا ہے۔

آئن بیم ایچنگ اور ان سیٹو اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپ آبزرویشن سسٹم کے ذریعے، ہم نے مزید نینو پور (شکل c) کی موجودگی کی تصدیق کی۔ لہذا، لیزر سے پیدا ہونے والے نقائص کو کم سے کم کرنے کے لیے، لیزر ویلڈنگ کے دوران واحد نبض کی توانائی 9.5 μJ سے زیادہ نہیں ہونی چاہیے۔

3. بیسل الٹرا شارٹ پلس لیزر کا استعمال کرتے ہوئے فیوزڈ سلیکا شیشوں کے درمیان اعلیٰ معیار کی مائیکرو ویلڈنگ کا حصول۔

شکل (a) نمونے کی ویلڈنگ کی سطح کا سب سے اوپر نظر آنے والا مائکروگراف دکھاتا ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ لیزر ویلڈ لائن یکساں اور ہموار ہے۔ اگرچہ ویلڈڈ ایریا میں اب بھی کچھ تصادفی طور پر تقسیم شدہ مائکروپور نقائص موجود ہیں، مجموعی طور پر، یہ گاوسی لیزر ویلڈ لائن سے نمایاں طور پر بہتر ہے۔ پیمائش سے پتہ چلتا ہے کہ ویلڈ لائن کی چوڑائی تقریبا 18 μm ہے، اور ویلڈ لائنوں کے درمیان فاصلہ 40 μm ہے۔ شکل (b) نمونے کی ویلڈ لائن کا سائیڈ ویو مائکروگراف دکھاتی ہے۔

یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ لیزر پروسیسنگ کے بعد نمونوں کے درمیان خلا مکمل طور پر ختم ہو جاتا ہے، اور انٹرفیس کے قریب موجود مواد تھرمل پگھلنے-کولنگ کے عمل سے گزرنے کے بعد ایک ہی وجود میں شامل ہو گیا ہے۔ پیمائش سے پتہ چلتا ہے کہ لیزر سے متاثر تھرمل پگھلنے والے خطے کی گہرائی 227 μm تک پہنچ جاتی ہے۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ ان پیرامیٹرز کے ساتھ لیزر ویلڈنگ کے دوران، فوکل پوزیشن کی محوری گہرائی 227 μm تک پہنچ سکتی ہے، جو کہ انہی حالات میں گاوسی لیزر ویلڈنگ سے چار گنا زیادہ ہے۔

4. بیسل لینس کہاں سے خریدیں؟

ویو لینتھ اوپٹو-الیکٹرانک اعلیٰ معیار کے بیسل لینز پیش کرتا ہے جو لیزر پروسیسنگ ایپلی کیشنز میں استعمال ہوتے ہیں۔ ان پٹ بیم کے قطر کے سائز کو ایڈجسٹ کرکے آؤٹ پٹ بیم کے فوکس کی گہرائی کی ٹیونبلٹی اس بیسل بیم آپٹیکل سسٹم کی سب سے پرکشش خصوصیت ہے۔