بېسسېل نۇرى لايىھەلەش ئۇسۇللىرى

ئىككى تەرەپتىكى ماتېرىياللارنى بىرلا ۋاقىتتا ئېرىتىپ، يۇقىرى كۈچلۈك مىكرو رايون باغلىنىشىنى ئورنىتىش ئۈچۈن، لازېرنىڭ مەركەز نۇقتىسى ئۈلگىگە ئېنىق مەركەزلەشتۈرۈلۈشى كېرەك، بۇ كەپشەرلەش سىستېمىسىنىڭ پىششىقلاش توغرىلىقىغا قاتتىق تەلەپ قويىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا، گاۋس نۇرىنىڭ مەركەزلەشتۈرۈلۈشتىن كېيىنكى ئوق يۆنىلىشىدىكى كۈچلۈكلۈك دەرىجىسى چوڭ بولغاچقا، مەركەز مەيدانىنىڭ تېمپېراتۇرىسى تەكشى بولمايدۇ، بۇ لازېر تەسىر قىلغان رايوندا مىكرو ۋە نانو بوشلۇق نۇقسانلىرىنىڭ شەكىللىنىشىگە ئاسانلا سەۋەب بولىدۇ، بۇ ئۆز نۆۋىتىدە ئۈلگىنىڭ كەپشەرلەش سۈپىتىگە تەسىر كۆرسىتىدۇ.

بوشلۇق نۇرى شەكىللەندۈرۈش تېخنىكىسى ئارقىلىق نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرى ھاسىل قىلىپ، لازېرنىڭ فوكۇس مەيدانىنىڭ كۈچلۈكلۈك تەقسىملىنىشىنى ئەلالاشتۇرغىلى بولىدۇ. بۇ ئۇسۇل ئوق يۆنىلىشىدىكى كۈچلۈكلۈك گرادىيېنتىنى ئازايتىدۇ ۋە فوكۇس ئارىلىقىنى كېڭەيتىدۇ، شۇنىڭ بىلەن لازېر ھاسىل قىلغان ئىسسىقلىق ئېففېكتى رايونىنىڭ چوڭقۇرلۇق-كەڭلىك نىسبىتىنى ئاشۇرىدۇ. نەتىجىدە، ئۇ لازېر كەپشەرلەش سىستېمىسىنىڭ فوكۇسلاش توغرىلىق تەلىپىنى تۆۋەنلىتىپ، كەپشەرلەش سۈپىتى ۋە ئۈنۈمىنى ئۆستۈرىدۇ.

1. دىففراكسىيە قىلمايدىغان بېسسېل نۇرلىرىنىڭ ھاسىل قىلىنىشى ۋە پارامېتىر لايىھىسى

1987-يىلى، دۇرنىن تۇنجى قېتىم نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنى ئوتتۇرىغا قويدى، بۇ نۇر ئۆزگىچە دىفراكسىيەسىز خۇسۇسىيەتلەرنى كۆرسىتىدۇ: ئۇنىڭ كۆندۈلگەن نۇر مەيدانىنىڭ كۈچلۈكلۈك تەقسىملىنىشى تارقىلىش جەريانىدا ئۆزگەرمەيدۇ، مەركىزىي نۇقتىنىڭ چوڭلۇقى ھەمىشە دىفراكسىيە چېكىگە يېقىن بولىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا، بېسسېل نۇرلىرى تارقىلىش جەريانىدا ئۆزىنى ئەسلىگە كەلتۈرۈش خۇسۇسىيىتىنى نامايان قىلىدۇ. مەركىزىي نۇقتا توسۇلغاندا، ئەتراپتىكى نۇر مەركەزگە قاراپ يىغىلىپ، مەركىزىي نۇقتىنى «تەمىرلەيدۇ». نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنىڭ كۆندۈلگەن نۇر مەيدانى تەقسىملىنىشىنىڭ ماتېماتىكىلىق ئىپادىسى تۆۋەندىكىچە:

ئىپادىدە:

• J0 نۆل تەرتىپلىك بېسسېل فۇنكسىيەسىنى ئىپادىلەيدۇ.
• r ۋە φ ئايرىم-ئايرىم ھالدا رادىئال ۋە بۇلۇڭلۇق كوئوردىنات ئېلېمېنتلىرى.
• z تارقىلىش ئارىلىقى.
• Kr ۋە Kz ئايرىم-ئايرىم ھالدا كۆندەلمە ۋە بويۇنلۇق دولقۇن ۋېكتورى ئېلېمېنتلىرى.

نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنىڭ مەركىزىي ئاساسلىق نۇقتىسى كۈچلۈك چەكلەش ئىقتىدارىغا ئىگە بولۇپ، TW/cm² ياكى ئۇنىڭدىن يۇقىرى دەرىجىلىك نۇرلىنىش سەۋىيىسىنى ساقلايدۇ، بۇ ماتېرىياللاردا سىزىقسىز يۇتۇلۇشنى ئۈنۈملۈك قوزغىتالايدۇ. ئەڭ مۇھىمى، نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنىڭ تارقىلىشسىز تارقىلىش ئالاھىدىلىكى چوڭراق چوڭقۇرلۇقتىكى فوكۇس ۋە كىچىكرەك ئوق يۆنىلىشىدىكى كۈچلۈكلۈك گرادىيېنتىنى تەمىنلەيدۇ، شۇڭا دېگۈدەك بىردەك تېمپېراتۇرا مەيدانىنى ھاسىل قىلىدۇ ۋە كەپشەرلەش نۇقسانلىرىنىڭ شەكىللىنىشىنى باستۇرىدۇ.

تۆۋەندىكى رەسىمدە ئوخشاش كۆندەلمە چەكلىمە ئىقتىدارى ئاستىدا بېسسېل نۇرى ۋە گاۋس نۇرىنىڭ فوكۇس ئارىلىقىنىڭ سېلىشتۇرمىسى كۆرسىتىلگەن. بېسسېل نۇرى كۆندەلمە مىكرون دەرىجىلىك فوكۇس نۇقتىسىنىڭ دىئامېتىرىنى ساقلاپ قېلىش بىلەن بىرگە، فوكۇسنىڭ چوڭقۇرلۇقىنى زور دەرىجىدە ئىگىلەيدۇ.

نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرلىرىنى ھاسىل قىلىشنىڭ بىر قانچە ئۇسۇلى بار، تۆۋەندىكى ئۈچ ئاساسلىق ئۇسۇل كۆپ ئۇچرايدۇ:

ھالقىسىمان دىئافراكسىيە ئۇسۇلى: ئىسمىدىن كۆرۈۋېلىشقا بولىدۇكى، ھالقىسىمان دىئافراكسىيە ئۇسۇلى بەسسېل نۇرلىرىنى ئىشلەپچىقىرىش ئۈچۈن ھالقىسىمان يېرىق ئىشلىتىشنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ. بۇ يەنە بەسسېل نۇرلىرىنى ئىشلەپچىقىرىشتىكى تۇنجى مۇۋەپپەقىيەتلىك ئۇسۇل. تۆۋەندىكى دىئاگرامما بەسسېل نۇرلىرىنى ئىشلەپچىقىرىشتىكى ھالقىسىمان دىئافراكسىيە ئۇسۇلىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. بىر تۈزلەڭلىك دولقۇن ھالقىسىمان يېرىققا سول تەرەپتىن تىك يۆنىلىشتە چۈشىدۇ ۋە دىفراكسىيە يۈز بېرىدۇ.

ئۇنىڭدىن كېيىن، مۇسبەت لىنزا فۇرىيې ئۆزگەرتىشىنى ئېلىپ بارىدۇ، نەتىجىدە لىنزىنىڭ ئارقىسىدا بېسسېل نۇرى شەكىللىنىدۇ. دىففراكسىيەسىز تارقىلىش ئارىلىقى Zmax ھالقىسىمان يېرىقنىڭ دىئامېتىرى d ۋە لىنزىنىڭ سانلىق دىئافراگمىسى بىلەن مۇناسىۋەتلىك.

بۇ ئۇسۇل نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنى ھاسىل قىلالايدۇ، ئەمما ئېنېرگىيە ئايلاندۇرۇش ئۈنۈمى ئىنتايىن تۆۋەن، شۇڭا لازېر بىر تەرەپ قىلىش ساھەسىدە قوللىنىشنى قىيىنلاشتۇرىدۇ.

بوشلۇق نۇر مودۇلياتورى ئۇسۇلى: نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنى ھاسىل قىلىش جەريانى ئاساسەن نۇرنىڭ باسقۇچلۇق تەقسىملىنىشىنى ئۆزگەرتىش جەريانىدۇر. شۇڭا، نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنى بوشلۇق نۇر مودۇلياتورى ئارقىلىق ھاسىل قىلغىلى بولىدۇ. بوشلۇق نۇر مودۇلياتورى ئېلېكتر سىگنالى ئارقىلىق نۇر مەيدانىنىڭ كۈچلۈكلۈكى ۋە باسقۇچلۇق تەقسىملىنىشىنى كونترول قىلىدىغان بىر خىل ئوپتوئېلېكترونلۇق مودۇلياتور ئۈسكۈنىسى. نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنى بوشلۇق نۇر مودۇلياتورىنىڭ خىزمەت تاختىسىغا كونۇس شەكىللىك لىنزا باسقۇچنى قوللىنىش ئارقىلىق ھاسىل قىلغىلى بولىدۇ.

ئاكسىكون ئۇسۇلى: ئاكسىكون بېسسېل نۇرلىرىنى ھاسىل قىلىشتا ئەڭ كۆپ ئىشلىتىلىدىغان پاسسىپ ئەينەك ئاساسلىق دىفراكسىيە ئېلېمېنتلىرىنىڭ بىرى. گاۋس نۇرى ئادەتتە ئاكسىكونغا چۈشكەندە ۋە ئۇنىڭدىن ئۆتكەندە، ئۇنىڭ باسقۇچلۇق تەقسىملىنىشى مودۇلياتسىيەلىنىپ، ئۇنى ئېنېرگىيە يوقىتىشسىز نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىغا ئايلاندۇرىدۇ، تۆۋەندىكى رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك.

ئەينەك ئاكسىكونلارنىڭ ئەرزان باھاسى، ئىشلىتىش ئاسانلىقى ۋە يۇقىرى لازېر زەخمىلىنىش چېكى، شۇنداقلا ئىنتايىن يۇقىرى ئېنېرگىيە ئىشلىتىش ئۈنۈمى سەۋەبىدىن، ئاكسىكونلار لازېر بىر تەرەپ قىلىش ساھەسىدە ئۇلترا قىسقا ئىمپۇلسلۇق بېسسېل نۇرلىرىنى ھاسىل قىلىشتىكى ئاساسلىق تاللاش ھېسابلىنىدۇ. تۆۋەندىكى رەسىمدە نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنىڭ نۇر تارىيىشى ۋە ئۆتكۈزۈلۈشىنىڭ سىخېمىسى كۆرسىتىلگەن. 4f سۈرەت سىستېمىسىنىڭ چوڭايتىش ۋە يۆنىلىشىنى تەڭشەش ئارقىلىق، بېسسېل نۇرىنىڭ تارىيىش يۆنىلىشىدىكى دىففراكسىيەسىز تارقىلىش ئارىلىقى، يېرىم كونۇس بۇلۇڭى ۋە ئېگىلىش بۇلۇڭىنى ئاسانلا كونترول قىلغىلى بولىدۇ.

يېرىم كونۇس بۇلۇڭى Ɵ1 ۋە دىفراكسىيەسىز تارقىلىش ئارىلىقى Zmax بولغان نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرى لىنزا (L1) ۋە ئوبيېكتىپ لىنزا (L2) دىن تەركىب تاپقان 4f سىستېمىسىدىن ئۆتكەندە، گېئومېتىرىيەلىك ئۆلچەملەر تېخىمۇ قىسىلىدۇ. يان تەرەپتىكى چوڭايتىش تەخمىنەن M=f1/f2=5، ئۇزۇنلۇقتىكى چوڭايتىش تەخمىنەن M2=25. شۇڭا، ئۈلگە ئىچىدىكى نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنىڭ ئاخىرقى سۈرىتىنى گېئومېتىرىيەلىك پارامېتىرلار بىلەن ئىپادىلىگىلى بولىدۇ:

كۋارتس ئەينەك ئەۋرىشكىسى ئىچىدە ھەر خىل كونۇس بۇلۇڭى ۋە نۇرنىڭ سىقىلىش چوڭايتىشلىرى ئاستىدا سۈرەتكە ئېلىنغان بېسسېل نۇرىنىڭ گېئومېتىرىيەلىك پارامېتىرلىرى.

بېسسېل نۇرىنىڭ فوكۇس مەيدانىنىڭ كۈچلۈكلۈك تەقسىملىنىشى

• r ۋە z: ئايرىم-ئايرىم ھالدا رادىئاتسىيە ۋە ئوق يۆنىلىشىدىكى كوئوردىنات تەركىبلىرى.
• λ: لازېرنىڭ مەركىزى دولقۇن ئۇزۇنلۇقى.
• w: چۈشۈۋاتقان گاۋس نۇرىنىڭ رادىئۇسى 1/e².
• P0: ئۇلترا قىسقا ئىمپۇلس لازېرنىڭ ئەڭ يۇقىرى قۇۋۋىتى.
• β1: بېسسېل نۇرىنىڭ سىقىلىشتىن كېيىنكى يېرىم كونۇس بۇلۇڭى.
• k: دولقۇن ۋېكتورى.
• J0: نۆل تەرتىپلىك بېسسېل فۇنكسىيەسى.

كۋارتس ئەينەك ئىچىدىكى نۆل تەرتىپلىك بېسسېل نۇرىنىڭ كۈچلۈكلۈك تەقسىملىنىشى: سول تەرەپتە تارقىلىش يۆنىلىشى بويىچە ئوپتىكىلىق قۇۋۋەت زىچلىقى تەقسىملىنىشى ۋە كېسىشمە كۆرۈنۈش، ئوڭ تەرەپتە ئوق بويىچە ئوپتىكىلىق قۇۋۋەت زىچلىقى تەقسىملىنىشى ۋە كېسىشمە كۆرۈنۈش.

2. ئېرىتىلگەن كرېمنىي ئەينەكتىكى فېمتوسېكۇندلۇق ئىمپۇلس بېسسېل نۇرىنىڭ خۇسۇسىيىتى

(a)-رەسىمدە فېمتوسېكۇندلۇق ئىمپۇلس بېسسېل نۇرى بىلەن ئېرىتىلگەن كرېمنىي ئەينەكنىڭ ھەر خىل ئىمپۇلس ئېنېرگىيەسىدىكى ئۆز-ئارا تەسىر كۆرسىتىش مىكروگرافىيەلىرى كۆرسىتىلگەن. لازېر ئىمپۇلسىنىڭ كەڭلىكى 220 fs دە مۇقىم، ئۈلگە ئىچىدىكى بېسسېل نۇرىنىڭ يېرىم كونۇس بۇلۇڭى 12.4 گرادۇس. لازېر تەسىر قىلغان رايوننىڭ تىپىك بىر ئۆلچەملىك سىزىقلىق قۇرۇلمىنى نامايان قىلىدىغانلىقىنى كۆرگىلى بولىدۇ. لازېر ئىمپۇلس ئېنېرگىيەسى 9.5 μJ دىن تۆۋەن بولغاندا، فوكۇس رايونىدىكى ماتېرىيالنىڭ سىنىش كۆرسەتكۈچى ئېشىپ، مىكروگرافىيەدە قارا رايون سۈپىتىدە كۆرۈنىدۇ.

لازېر ئىمپۇلس ئېنېرگىيەسى 9.5 μJ دىن ئاشقاندا، فوكۇس رايونىدىكى ماتېرىيالنىڭ سىنىش كۆرسەتكۈچى تۆۋەنلەيدۇ، مىكروگرافتا ئاق رايون سۈپىتىدە كۆرۈنىدۇ، ئاق رايوننىڭ ئۇزۇنلۇقى ئىمپۇلس ئېنېرگىيەسىنىڭ ئېشىشىغا ئەگىشىپ ئۇزىرايدۇ. ئەۋرىشكە سىلىقلاش ئارقىلىق، بىز (b)-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك، سىكانىرلاش ئېلېكترونلۇق مىكروسكوپى ئاستىدا 15.4 μJ ئىمپۇلس ئېنېرگىيەسىدە ئاق رايوننىڭ مورفولوگىيەلىك ئالاھىدىلىكلىرىنى كۆزەتتۇق. بۇنىڭدىن شۇنى خۇلاسە چىقىرىشقا بولىدۇكى، سىنىش كۆرسەتكۈچى تۆۋەنلىگەن رايوندا تەخمىنەن 200 nm دىئامېتىرلىق نانو تۆشۈك شەكىللەنگەن.

ئىئون نۇرى ئويۇش ۋە ئورنىدا سىكانىرلاش ئېلېكترونلۇق مىكروسكوپ كۆزىتىش سىستېمىسى ئارقىلىق، بىز نانو تۆشۈكنىڭ مەۋجۇتلۇقىنى تېخىمۇ جەزملەشتۈردۇق (c-رەسىم). شۇڭا، لازېر كەلتۈرۈپ چىقارغان نۇقسانلارنىڭ پەيدا بولۇشىنى ئەڭ تۆۋەن چەككە چۈشۈرۈش ئۈچۈن، لازېر كەپشەرلەش جەريانىدا يەككە ئىمپۇلس ئېنېرگىيەسى 9.5 μJ دىن ئېشىپ كەتمەسلىكى كېرەك.

3. Bessel ئۇلترا قىسقا ئىمپۇلس لازېرى ئارقىلىق ئېرىتىلگەن كرېمنىي ئەينەكلىرى ئارىسىدا يۇقىرى سۈپەتلىك مىكرو كەپشەرلەشنى ئەمەلگە ئاشۇرۇش.

(a)-رەسىمدە ئەۋرىشكىنىڭ كەپشەرلەش يۈزىنىڭ ئۈستى كۆرۈنۈش مىكروگرافىيىسى كۆرسىتىلگەن. لازېر كەپشەرلەش لىنىيىسىنىڭ بىردەك ۋە سىلىق ئىكەنلىكىنى كۆرۈۋالغىلى بولىدۇ. كەپشەرلەنگەن رايوندا يەنىلا بىر قىسىم تاسادىپىي تارقالغان مىكرو تۆشۈك نۇقسانلىرى بار بولسىمۇ، ئومۇمەن قىلىپ ئېيتقاندا، ئۇ گاۋس لازېر كەپشەرلەش لىنىيىسىدىن كۆرۈنەرلىك ياخشى. ئۆلچەش نەتىجىسىدە كەپشەرلەش لىنىيىسىنىڭ كەڭلىكى تەخمىنەن 18 مىكرومېتىر، كەپشەرلەش لىنىيىلىرى ئارىسىدىكى بوشلۇق 40 مىكرومېتىر ئىكەنلىكى كۆرسىتىلدى. (b)-رەسىمدە ئەۋرىشكىنىڭ كەپشەرلەش لىنىيىسىنىڭ يان كۆرۈنۈش مىكروگرافىيىسى كۆرسىتىلگەن.

لازېر بىلەن بىر تەرەپ قىلىنغاندىن كېيىن، ئەۋرىشكىلەر ئارىسىدىكى بوشلۇقنىڭ پۈتۈنلەي يوقىلىپ، يۈزەكى تەرەپكە يېقىن ماتېرىيالنىڭ ئىسسىقلىق بىلەن ئېرىتىش-سوۋۇتۇش جەريانىدىن ئۆتكەندىن كېيىن بىر گەۋدىگە ئايلىنىدىغانلىقىنى كۆرۈۋالغىلى بولىدۇ. ئۆلچەشلەر لازېرنىڭ ئىسسىقلىق بىلەن ئېرىتىش رايونىنىڭ چوڭقۇرلۇقىنىڭ 227 مىكرومېتىرغىچە يېتىدىغانلىقىنى كۆرسەتتى. بۇ، بۇ پارامېتىرلار بىلەن لازېر بىلەن كەپشەرلەش جەريانىدا، مەركەزلىك ئورۇننىڭ ئوق چوڭقۇرلۇقىنىڭ 227 مىكرومېتىرغىچە يېتىدىغانلىقىنى، بۇ ئوخشاش شارائىتتا گاۋس لازېر بىلەن كەپشەرلەشنىڭ تۆت ھەسسىسىگە تەڭ ئىكەنلىكىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ.

4. Bessel لىنزىسىنى قەيەردىن سېتىۋالغىلى بولىدۇ؟

Wavelength Opto-Electronic شىركىتى لازېر بىر تەرەپ قىلىش قوللىنىشچان پروگراممىلىرىدا ئىشلىتىلىدىغان يۇقىرى سۈپەتلىك Bessel لىنزىلىرىنى تەمىنلەيدۇ. كىرىش نۇرىنىڭ دىئامېتىرىنىڭ چوڭ-كىچىكلىكىنى تەڭشەش ئارقىلىق چىقىش نۇرىنىڭ فوكۇس چوڭقۇرلۇقىنى تەڭشىگىلى بولىدىغانلىقى بۇ Bessel نۇرى ئوپتىكىلىق سىستېمىسىنىڭ ئەڭ جەلپ قىلارلىق ئالاھىدىلىكى.