বেসেল বিম ডিজাইন পদ্ধতি

ইন্টারফেসের উভয় পাশের উপাদান একই সাথে গলানো এবং একটি উচ্চ-শক্তির মাইক্রো-অঞ্চল বন্ধন স্থাপন করার জন্য, লেজারের ফোকাল পয়েন্টকে অবশ্যই নমুনার উপর নির্ভুলভাবে ফোকাস করতে হবে, যা ওয়েল্ডিং সিস্টেমের প্রক্রিয়াকরণ নির্ভুলতার উপর কঠোর চাহিদা তৈরি করে। উপরন্তু, ফোকাস করার পরে গাউসিয়ান বিমের বৃহৎ অক্ষীয় তীব্রতার গ্রেডিয়েন্টের কারণে, ফোকাল ফিল্ডের তাপমাত্রা অসম হয়, যা লেজার-প্রভাবিত অঞ্চলে মাইক্রো- এবং ন্যানো-শূন্যস্থান ত্রুটি তৈরির প্রবণতা বাড়ায় এবং ফলস্বরূপ নমুনার ওয়েল্ডিং গুণমানকে প্রভাবিত করে।

লেজার ফোকাল ফিল্ডের তীব্রতা বন্টনকে অপ্টিমাইজ করার জন্য জিরো-অর্ডার বেসেল বিম তৈরি করতে স্পেশিয়াল লাইট শেপিং প্রযুক্তি ব্যবহার করা যেতে পারে। এই পদ্ধতিটি অক্ষীয় তীব্রতা গ্রেডিয়েন্ট হ্রাস করে এবং ফোকাল দৈর্ঘ্য প্রসারিত করে, যার ফলে লেজার দ্বারা গঠিত তাপীয় প্রভাব অঞ্চলের গভীরতা-প্রস্থের অনুপাত বৃদ্ধি পায়। ফলস্বরূপ, এটি লেজার ওয়েল্ডিং সিস্টেমের ফোকাসিং নির্ভুলতার প্রয়োজনীয়তা হ্রাস করে, যা ওয়েল্ডিংয়ের গুণমান এবং কার্যকারিতা উভয়ই উন্নত করে।

১. অপবর্তনহীন বেসেল বিমের উৎপাদন এবং পরামিতি নকশা

১৯৮৭ সালে, ডার্নিন সর্বপ্রথম শূন্য-ক্রমের বেসেল রশ্মির প্রস্তাব করেন, যা অনন্য অবচ্ছুরণহীন বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে: এর অনুপ্রস্থ আলোক ক্ষেত্রের তীব্রতা বন্টন সঞ্চালনের সময় অপরিবর্তিত থাকে, এবং কেন্দ্রীয় বিন্দুর আকার সর্বদা অপবর্তন সীমার কাছাকাছি থাকে। এছাড়াও, বেসেল রশ্মি সঞ্চালনের সময় একটি স্ব-আরোগ্যকারী বৈশিষ্ট্যও প্রদর্শন করে। যখন কেন্দ্রীয় বিন্দুটি বাধাপ্রাপ্ত হয়, তখন পারিপার্শ্বিক আলো কেন্দ্রের দিকে একত্রিত হয়ে কেন্দ্রীয় বিন্দুটিকে "মেরামত" করে। একটি শূন্য-ক্রমের বেসেল রশ্মির অনুপ্রস্থ আলোক ক্ষেত্র বন্টনের গাণিতিক সমীকরণটি হলো:

অভিব্যক্তিতে:

• J0 শূন্য-ক্রমের বেসেল ফাংশনকে নির্দেশ করে।
• r এবং φ হলো যথাক্রমে ব্যাসার্ধীয় এবং কৌণিক স্থানাঙ্ক উপাদান।
• z হলো প্রসারণ দূরত্ব।
• Kr এবং Kz হলো যথাক্রমে অনুপ্রস্থ এবং অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ ভেক্টর উপাদান।

একটি জিরো-অর্ডার বেসেল বিমের কেন্দ্রীয় প্রধান স্পটের শক্তিশালী আবদ্ধকরণ ক্ষমতা রয়েছে, যা TW/cm² বা তার চেয়ে উচ্চতর মাত্রার বিকিরণের সুযোগ দেয় এবং যা পদার্থে কার্যকরভাবে অরৈখিক শোষণকে উদ্দীপ্ত করতে পারে। আরও গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হলো, জিরো-অর্ডার বেসেল বিমের অপবর্তনহীন প্রসারণ বৈশিষ্ট্য একটি বৃহত্তর ফোকাস গভীরতা এবং একটি ক্ষুদ্রতর অক্ষীয় তীব্রতা গ্রেডিয়েন্ট প্রদান করে, যার ফলে একটি প্রায় অভিন্ন তাপমাত্রা ক্ষেত্র তৈরি হয় এবং ঝালাই ত্রুটির গঠন দমন করা হয়।

নিম্নলিখিত চিত্রে একই অনুপ্রস্থ আবদ্ধকরণ ক্ষমতার অধীনে বেসেল বিম এবং গাউসিয়ান বিমের ফোকাল দৈর্ঘ্যের একটি তুলনা দেখানো হয়েছে। বেসেল বিম একটি অনুপ্রস্থ মাইক্রন-স্তরের ফোকাল স্পট ব্যাস বজায় রেখেও যথেষ্ট গভীর ফোকাস ধারণ করে।

শূন্য-ক্রমের বেসেল রশ্মি উৎপন্ন করার বিভিন্ন পদ্ধতি রয়েছে এবং নিম্নলিখিত তিনটি প্রধান পদ্ধতি প্রচলিত:

বলয়াকার ছিট পদ্ধতি: নাম থেকেই বোঝা যায়, বলয়াকার ছিট পদ্ধতিতে বেসেল রশ্মি উৎপন্ন করার জন্য একটি বলয়াকার স্লিট ব্যবহার করা হয়। বেসেল রশ্মি তৈরির জন্য এটিই ছিল প্রথম সফল পদ্ধতি। নিচের চিত্রটিতে বেসেল রশ্মি তৈরির জন্য বলয়াকার ছিট পদ্ধতিটি দেখানো হয়েছে। একটি সমতল তরঙ্গ বাম দিক থেকে বলয়াকার স্লিটের উপর লম্বভাবে আপতিত হয় এবং অপবর্তন ঘটে।

এরপরে, একটি ধনাত্মক লেন্স ফুরিয়ার ট্রান্সফর্ম সম্পাদন করে, যার ফলে লেন্সের পিছনে একটি বেসেল বিম গঠিত হয়। অবচ্ছুরণহীন প্রসারণ দূরত্ব Zmax বলয়াকার স্লিটের ব্যাস d এবং লেন্সের নিউমেরিক্যাল অ্যাপারচারের সাথে সম্পর্কিত।

যদিও এই পদ্ধতিতে জিরো-অর্ডার বেসেল বিম তৈরি করা যায়, এর শক্তি রূপান্তর দক্ষতা অত্যন্ত কম, যার ফলে লেজার প্রক্রিয়াকরণ ক্ষেত্রে এর প্রয়োগ কঠিন।

স্পেশাল লাইট মডুলেটর পদ্ধতি: একটি জিরো-অর্ডার বেসেল বিম তৈরির প্রক্রিয়াটি মূলত বিমটির ফেজ ডিস্ট্রিবিউশন পরিবর্তন করার একটি প্রক্রিয়া। তাই, একটি স্পেশাল লাইট মডুলেটর ব্যবহার করেও জিরো-অর্ডার বেসেল বিম তৈরি করা যায়। স্পেশাল লাইট মডুলেটর হলো এক ধরনের অপটোইলেকট্রনিক মডুলেশন ডিভাইস যা বৈদ্যুতিক সংকেতের মাধ্যমে আলোক ক্ষেত্রের তীব্রতা এবং ফেজ ডিস্ট্রিবিউশন নিয়ন্ত্রণ করে। নিচের চিত্রে দেখানো শঙ্কু আকৃতির লেন্সের ফেজ স্পেশাল লাইট মডুলেটরের ওয়ার্কিং প্যানেলে প্রয়োগ করে একটি জিরো-অর্ডার বেসেল বিম তৈরি করা যায়।

অ্যাক্সিকন পদ্ধতি: বেসেল বিম তৈরির জন্য অ্যাক্সিকন হলো সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত নিষ্ক্রিয় কাচ-ভিত্তিক ডিফ্র্যাক্টিভ উপাদানগুলোর মধ্যে একটি। যখন একটি গাউসিয়ান বিম একটি অ্যাক্সিকনের উপর লম্বভাবে আপতিত হয় এবং এর মধ্য দিয়ে যায়, তখন এর ফেজ ডিস্ট্রিবিউশন মডুলেটেড হয়, যা এটিকে কোনো শক্তি ক্ষয় ছাড়াই একটি জিরো-অর্ডার বেসেল বিমে রূপান্তরিত করে, যেমনটি নিচের চিত্রে দেখানো হয়েছে।

গ্লাস অ্যাক্সিকনের স্বল্প মূল্য, ব্যবহারের সহজলভ্যতা, উচ্চ লেজার ড্যামেজ থ্রেশহোল্ড এবং এর ব্যতিক্রমী উচ্চ শক্তি ব্যবহার দক্ষতার কারণে, লেজার প্রসেসিং ক্ষেত্রে অতি-সংক্ষিপ্ত পালস বেসেল বিম তৈরির জন্য অ্যাক্সিকনই প্রধান পছন্দ। নিচের চিত্রে একটি জিরো-অর্ডার বেসেল বিমের বিম ন্যারোয়িং এবং ট্রান্সমিশনের একটি স্কিম্যাটিক দেখানো হয়েছে। 4f ইমেজিং সিস্টেমের ম্যাগনিফিকেশন এবং ওরিয়েন্টেশন সামঞ্জস্য করে, বেসেল বিমের নন-ডিফ্র্যাক্টিভ প্রোপাগেশন ডিসটেন্স, হাফ-কোন অ্যাঙ্গেল এবং প্রোপাগেশন ডিরেকশনের টিল্ট অ্যাঙ্গেল সহজেই নিয়ন্ত্রণ করা যায়।

যখন Ɵ1 অর্ধ-শঙ্কু এবং Zmax অপবর্তন-মুক্ত প্রসারণ দূরত্ব বিশিষ্ট একটি শূন্য-ক্রমের বেসেল রশ্মি একটি লেন্স (L1) এবং একটি অবজেক্টিভ লেন্স (L2) দ্বারা গঠিত একটি 4f সিস্টেমের মধ্য দিয়ে যায়, তখন এর জ্যামিতিক মাত্রা আরও সংকুচিত হবে। পার্শ্বীয় বিবর্ধন প্রায় M=f1/f2=5, এবং অনুদৈর্ঘ্য বিবর্ধন প্রায় M2=25। সুতরাং, নমুনার অভ্যন্তরে শূন্য-ক্রমের বেসেল রশ্মির চূড়ান্ত প্রতিবিম্বকে নিম্নলিখিত জ্যামিতিক পরামিতি দ্বারা প্রকাশ করা যেতে পারে:

বিভিন্ন শঙ্কু কোণ এবং বিম সংকোচন বিবর্ধনে কোয়ার্টজ কাচের নমুনার অভ্যন্তরে প্রতিবিম্বিত বেসেল বিমের জ্যামিতিক পরামিতি।

বেসেল বিমের ফোকাস ক্ষেত্রের তীব্রতা বন্টন

• r এবং z: যথাক্রমে ব্যাসার্ধীয় এবং অক্ষীয় স্থানাঙ্ক উপাংশ।
• λ: লেজারের কেন্দ্রীয় তরঙ্গদৈর্ঘ্য।
• w: আপতিত গাউসীয় রশ্মির ব্যাসার্ধ, যা 1/e²।
• P0: অতিস্বল্প স্পন্দন লেজারের সর্বোচ্চ ক্ষমতা।
• β1: বিম সংকোচনের পর বেসেল বিমের অর্ধ-শঙ্কু কোণ।
• k: তরঙ্গ ভেক্টর।
• J0: শূন্য-ক্রমের বেসেল ফাংশন।

কোয়ার্টজ কাচের অভ্যন্তরে শূন্য-ক্রমের বেসেল রশ্মির তীব্রতা বন্টন: বামদিকে রয়েছে প্রসারণের দিক বরাবর আলোক শক্তি ঘনত্বের বন্টন এবং প্রস্থচ্ছেদ দৃশ্য, এবং ডানদিকে রয়েছে অক্ষ বরাবর আলোক শক্তি ঘনত্বের বন্টন এবং প্রস্থচ্ছেদ দৃশ্য।

২. ফিউজড সিলিকা গ্লাসে ফেমটোসেকেন্ড পালস বেসেল বিমের বৈশিষ্ট্য

চিত্র (ক)-তে বিভিন্ন পালস শক্তিতে ফেমটোসেকেন্ড পালস বেসেল বিম এবং ফিউজড সিলিকা গ্লাসের মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার মাইক্রোগ্রাফ দেখানো হয়েছে। লেজার পালসের প্রস্থ ২২০ fs-এ স্থির রাখা হয়েছে এবং নমুনার অভ্যন্তরে বেসেল বিমের অর্ধ-কোণ হলো ১২.৪°। লক্ষ্য করা যায় যে, লেজার-প্রভাবিত অঞ্চলটি একটি সাধারণ একমাত্রিক রৈখিক কাঠামো প্রদর্শন করে। যখন লেজার পালসের শক্তি ৯.৫ μJ-এর কম হয়, তখন ফোকাল অঞ্চলের পদার্থের প্রতিসরাঙ্ক বৃদ্ধি পায়, যা মাইক্রোগ্রাফে একটি কালো অঞ্চল হিসাবে দেখা যায়।

যখন লেজার পালস শক্তি 9.5 μJ অতিক্রম করে, তখন ফোকাল অঞ্চলের উপাদানের প্রতিসরাঙ্ক হ্রাস পায়, যা মাইক্রোগ্রাফে একটি সাদা অঞ্চল হিসাবে দেখা যায়, এবং পালস শক্তি বৃদ্ধির সাথে সাথে সাদা অঞ্চলের দৈর্ঘ্য বৃদ্ধি পায়। নমুনাটিকে পালিশ করে, আমরা একটি স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপের অধীনে 15.4 μJ পালস শক্তিতে সাদা অঞ্চলের গঠনগত বৈশিষ্ট্য পর্যবেক্ষণ করেছি, যা চিত্র (b)-তে দেখানো হয়েছে। এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, হ্রাসপ্রাপ্ত প্রতিসরাঙ্কের অঞ্চলে প্রায় 200 nm ব্যাসের একটি ন্যানোপোর গঠিত হয়েছে।

আয়ন বিম এচিং এবং ইন-সিটু স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ পর্যবেক্ষণ সিস্টেমের মাধ্যমে আমরা ন্যানোপোরের উপস্থিতি আরও নিশ্চিত করেছি (চিত্র গ)। অতএব, লেজার-জনিত ত্রুটির সৃষ্টি কমানোর জন্য, লেজার ওয়েল্ডিংয়ের সময় একক পালস শক্তি ৯.৫ μJ-এর বেশি হওয়া উচিত নয়।

৩. বেসেল আল্ট্রাশর্ট পালস লেজার ব্যবহার করে ফিউজড সিলিকা গ্লাসের মধ্যে উচ্চ-মানের মাইক্রো-ওয়েল্ডিং সম্পন্ন করা।

চিত্র (ক)-তে নমুনাটির ঝালাই করা পৃষ্ঠের একটি উপরিতল-দৃশ্য মাইক্রোগ্রাফ দেখানো হয়েছে। এতে দেখা যায় যে, লেজার ঝালাই রেখাটি সুষম এবং মসৃণ। যদিও ঝালাই করা অংশে এখনও কিছু বিক্ষিপ্ত ক্ষুদ্র ছিদ্রের ত্রুটি রয়েছে, সামগ্রিকভাবে এটি গাউসীয় লেজার ঝালাই রেখার চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে ভালো। পরিমাপ থেকে দেখা যায় যে, ঝালাই রেখার প্রস্থ প্রায় ১৮ μm এবং ঝালাই রেখাগুলোর মধ্যে ব্যবধান ৪০ μm। চিত্র (খ)-তে নমুনাটির ঝালাই রেখার একটি পার্শ্ব-দৃশ্য মাইক্রোগ্রাফ দেখানো হয়েছে।

দেখা যায় যে, লেজার প্রক্রিয়াকরণের পর নমুনাগুলোর মধ্যকার ফাঁক সম্পূর্ণরূপে অদৃশ্য হয়ে যায় এবং ইন্টারফেসের নিকটবর্তী উপাদান তাপীয় গলন-শীতলীকরণ প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে একটি একক সত্তায় একীভূত হয়ে যায়। পরিমাপ থেকে জানা যায় যে, লেজার-প্ররোচিত তাপীয় গলন অঞ্চলের গভীরতা ২২৭ μm পর্যন্ত পৌঁছায়। এটি নির্দেশ করে যে, এই প্যারামিটারগুলো ব্যবহার করে লেজার ওয়েল্ডিং করার সময় ফোকাল পজিশনের অক্ষীয় গভীরতা ২২৭ μm পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে, যা একই শর্তে গাউসিয়ান লেজার ওয়েল্ডিংয়ের তুলনায় চারগুণ বেশি।

৪. বেসেল লেন্স কোথায় কিনবেন?

ওয়েভলেংথ অপ্টো-ইলেকট্রনিক উচ্চ মানের বেসেল লেন্স সরবরাহ করে যা লেজার প্রক্রিয়াকরণ অ্যাপ্লিকেশনে ব্যবহৃত হয়। ইনপুট বিমের ব্যাসের আকার সামঞ্জস্য করে আউটপুট বিমের ফোকাসের গভীরতা নিয়ন্ত্রণ করার ক্ষমতাই এই বেসেল বিম অপটিক্যাল সিস্টেমের সবচেয়ে আকর্ষণীয় বৈশিষ্ট্য।