Nā Hana Hoʻolālā Bessel Beam

I ka manawa like e hoʻoheheʻe ai i nā mea ma nā ʻaoʻao ʻelua o ka interface a hoʻokumu i kahi pilina micro-region ikaika kiʻekiʻe, pono e kau pono ʻia ke kiko kikowaena laser ma ka laʻana, kahi e kau ai i nā koi koʻikoʻi ma ka pololei o ka hana ʻana o ka ʻōnaehana wili. Eia kekahi, ma muli o ka gradient axial intensity nui o ke kukuna Gaussian ma hope o ka nānā ʻana, ʻaʻole like ka mahana o ke kahua focal, e lilo ia i mea maʻalahi i ka hoʻokumu ʻana i nā hemahema micro- a me nano-void ma ka ʻāpana i hoʻopilikia ʻia e ka laser, kahi e hoʻopilikia ai i ka maikaʻi o ka wili ʻana o ka laʻana.

Hiki ke hoʻohana ʻia ka ʻenehana hoʻolālā kukui spatial e hana i nā kukuna Bessel zero-order e hoʻonui i ka hoʻolaha ikaika o ke kahua focal laser. Hoʻemi kēia ʻano hana i ka gradient axial intensity a hoʻolōʻihi i ka lōʻihi focal, a laila e hoʻonui ana i ka ratio hohonu-a-laulā o ka ʻāpana hopena thermal i hoʻokumu ʻia e ka laser. ʻO ka hopena, hoʻemi ia i nā koi pololei o ka nānā ʻana o ka ʻōnaehana wili laser, e hoʻomaikaʻi ana i ka maikaʻi a me ka pono o ka wili.

1. Ka Hoʻolālā Hana a me nā Palena o nā Kukui Bessel ʻAʻole Diffracting

I ka makahiki 1987, ua hāpai mua ʻo Durnin i ke kukuna Bessel kauoha ʻole, kahi e hōʻike ana i nā waiwai kū hoʻokahi ʻaʻole e hoʻokaʻawale: ʻaʻole i loli ka hoʻolaha ʻana o kona ikaika kukui transverse i ka wā o ka hoʻolaha ʻana, a kokoke mau ka nui o ke kiko waena i ka palena diffraction. Eia kekahi, hōʻike pū nā kukuna Bessel i kahi waiwai ho'ōla pono'ī i ka wā o ka hoʻolaha ʻana. Ke ālai ʻia ke kiko waena, e hui pū ka mālamalama a puni i ke kikowaena e "hoʻoponopono" i ke kiko waena. ʻO ka hōʻike makemakika no ka hoʻolaha ʻana o ke kahua kukui transverse o kahi kukuna Bessel kauoha ʻole:

Ma ka huaʻōlelo:

• Hōʻike ʻo J0 i ka hana Bessel kauoha ʻole.
• ʻO r a me φ nā mea hoʻonohonoho radial a me angular.
• ʻO z ka mamao hoʻolaha.
• ʻO Kr lāua ʻo Kz nā mea vector nalu transverse a me longitudinal, pakahi.

ʻO ke kikowaena nui o kahi kukuna Bessel zero-order he mana hoʻopaʻa ikaika, e ʻae ana i nā pae irradiation o ke kauoha o TW/cm² a ʻoi aku paha, hiki ke hoʻonāukiuki i ka absorption nonlinear i nā mea. ʻOi aku ka mea nui, ʻo ka hiʻohiʻona hoʻolaha non-diffracting o nā kukuna Bessel zero-order e hāʻawi i kahi hohonu o ka nānā ʻana a me kahi gradient axial intensity liʻiliʻi, no laila e hana ana i kahi kahua mahana like a kāohi i ka hoʻokumu ʻia ʻana o nā hemahema wili.

Hōʻike ke kiʻi ma lalo nei i kahi hoʻohālikelike o ka lōʻihi o ke kikowaena o nā kukuna Bessel a me nā kukuna Gaussian ma lalo o ka hiki ke hoʻopaʻa ʻia ke kaha like. Loaʻa i nā kukuna Bessel kahi hohonu o ke kikowaena me ka mālama ʻana i kahi anawaena kiko kikowaena transverse micron.

Aia kekahi mau ʻano hana no ka hana ʻana i nā kukuna Bessel kauoha ʻole, a he mea maʻamau nā ʻano hana nui ʻekolu:

ʻAno Hana Aperture Annular: ʻO ke ʻano hana aperture annular, e like me ka inoa e hōʻike nei, pili i ka hoʻohana ʻana i kahi ʻoki annular e hana i nā kukuna Bessel. ʻO kēia kekahi ke ʻano hana mua i kūleʻa no ka hana ʻana i nā kukuna Bessel. Hōʻike ka kiʻikuhi ma lalo nei i ke ʻano hana ʻoki annular no ka hana ʻana i nā kukuna Bessel. Hoʻopili ʻia kahi nalu mokulele ma ke ʻano perpendicular ma luna o ka ʻoki annular mai ka hema a hana ʻia ka diffraction.

Ma hope iho, hana kahi aniani maikaʻi i kahi hoʻololi Fourier, e hopena ana i ka hoʻokumu ʻia ʻana o kahi kukuna Bessel ma hope o ke aniani. Pili ka mamao hoʻolaha non-diffracting Zmax i ke anawaena d o ka ʻoki annular a me ka puka helu o ka aniani.

ʻOiai hiki i kēia ʻano hana ke hoʻopuka i nā kukuna Bessel ʻole-kauoha, haʻahaʻa loa ka pono o ka hoʻololi ʻana i ka ikehu, e paʻakikī ai ke hoʻopili ʻana i nā kahua hana laser.

ʻAno Modulator Mālamalama Spatial: ʻO ke kaʻina hana o kahi kukuna Bessel kauoha ʻole he hana ia o ka hoʻololi ʻana i ka hoʻolaha ʻana o ka pae o ke kukuna. No laila, hiki ke hana ʻia kahi kukuna Bessel kauoha ʻole me ka hoʻohana ʻana i kahi modulator mālamalama spatial. ʻO ka modulator mālamalama spatial kahi ʻano o ka mea modulation optoelectronic e kāohi ana i ka ikaika o ke kahua mālamalama a me ka hoʻolaha ʻana o ka pae ma o nā hōʻailona uila. Hiki ke hana ʻia kahi kukuna Bessel kauoha ʻole ma ka hoʻopili ʻana i ka pae lens conical, e like me ka mea i hōʻike ʻia ma ke kiʻi ma lalo nei, i ka panela hana o ka modulator mālamalama spatial.

ʻAno Axicon: ʻO ka axicon kekahi o nā mea diffractive passive glass-based i hoʻohana pinepine ʻia no ka hana ʻana i nā kukuna Bessel. Ke hele maʻamau kahi kukuna Gaussian a hele ma waena o kahi axicon, ua hoʻololi ʻia kona hoʻolaha pae, e hoʻololi ana iā ia i kukuna Bessel kauoha ʻole me ka ʻole o ka nalowale o ka ikehu, e like me ka mea i hōʻike ʻia ma ke kiʻi ma lalo nei.

Ma muli o ke kumukūʻai haʻahaʻa, ka maʻalahi o ka hoʻohana ʻana, a me ka paepae hōʻino laser kiʻekiʻe o nā axicons aniani, a me ko lākou pono hoʻohana ikehu kiʻekiʻe loa, ʻo nā axicons ke koho mua no ka hana ʻana i nā kukuna pulse ultrashort Bessel ma ke kahua o ka hana laser. Hōʻike ke kiʻi ma lalo nei i kahi kiʻikuhi o ka hoʻohaiki ʻana o ka kukuna a me ka hoʻoili ʻana o kahi kukuna Bessel kauoha ʻole. Ma ka hoʻoponopono ʻana i ka hoʻonui a me ke kuhikuhi ʻana o ka ʻōnaehana kiʻi 4f, hiki ke hoʻomalu maʻalahi ʻia ka mamao hoʻolaha non-diffractive, ke kihi hapalua-cone, a me ke kihi tilt i ke kuhikuhi hoʻolaha o ke kukuna Bessel.

Ke hele kahi kukuna Bessel kauoha ʻole me kahi kihi hapalua-cone o Ɵ1 a me kahi mamao hoʻolaha diffraction-free o Zmax ma o kahi ʻōnaehana 4f i haku ʻia me kahi lens (L1) a me kahi lens objective (L2), e hoʻopili hou ʻia nā ana geometric. ʻO ka hoʻonui ʻaoʻao ma kahi o M=f1/f2=5, a ʻo ka hoʻonui longitudinal ma kahi o M2=25. No laila, hiki ke hōʻike ʻia ke kiʻi hope loa o ke kukuna Bessel kauoha ʻole i loko o ka laʻana e nā palena geometric:

Nā ʻāpana geometric o ke kukuna Bessel i kiʻi ʻia i loko o kahi hāpana aniani quartz ma lalo o nā kihi cone like ʻole a me nā hoʻonui hoʻopaʻa kukuna.

Ka hoʻolaha ʻana o ka ikaika o ke kahua kālele o kahi kukuna Bessel

• r a me z: Nā ʻāpana hoʻonohonoho radial a me axial, kēlā me kēia.
• λ: Ka nalu waena o ka laser.
• w: 1/e² radius o ke kukuna Gaussian i hoʻopili ʻia.
• P0: Mana kiʻekiʻe o ka laser pulse ultrashort.
• β1: Ke kihi hapalua-kono o ke kukuna Bessel ma hope o ke kaomi kukuna.
• k: Vector nalu.
• J0: Hana Bessel kauoha ʻole.

Ka hoʻolaha ʻana o ka ikaika o ke kukuna Bessel kauoha ʻole i loko o ke aniani quartz: Ma ka ʻaoʻao hema ka hoʻolaha ʻana o ka nui o ka mana optical ma ke kuhikuhi hoʻolaha a me ka ʻike ʻāpana kea, a ma ka ʻaoʻao ʻākau ka hoʻolaha ʻana o ka nui o ka mana optical ma ke axis a me ka ʻike ʻāpana kea

2. Nā ʻano o ke kukuna Bessel Pulse Femtosecond i loko o ke aniani Silica Fused

Hōʻike ke Kiʻi (a) i nā micrographs o ka pilina ma waena o nā kukuna Bessel pulse femtosecond a me ke aniani silica i hoʻohui ʻia ma nā ikehu pulse like ʻole. Hoʻopaʻa ʻia ka laulā pulse laser ma 220 fs, a ʻo ke kihi hapalua-cone o ke kukuna Bessel i loko o ka laʻana he 12.4°. Hiki ke ʻike ʻia ua hōʻike ka ʻāpana i hoʻopilikia ʻia e ka laser i kahi ʻano linear hoʻokahi-dimensional maʻamau. Ke emi ka ikehu pulse laser ma mua o 9.5 μJ, piʻi ka helu kuhikuhi refractive o ka mea ma ka ʻāpana focal, e ʻike ʻia ana he ʻāpana ʻeleʻele ma ka micrograph.

Ke ʻoi aku ka ikehu pulse laser ma mua o 9.5 μJ, e emi ana ka index refractive o ka mea ma ka ʻāpana focal, e ʻike ʻia ana ma ke ʻano he ʻāpana keʻokeʻo ma ka micrograph, a e piʻi ka lōʻihi o ka ʻāpana keʻokeʻo me ka hoʻonui ʻana i ka ikehu pulse. Ma ka hoʻopili ʻana i ka laʻana, ua ʻike mākou i nā ʻano morphological o ka ʻāpana keʻokeʻo ma kahi ikehu pulse o 15.4 μJ ma lalo o kahi microscope electron scanning, e like me ka mea i hōʻike ʻia ma ke Kiʻi (b). Hiki ke hoʻoholo ʻia ua hoʻokumu ʻia kahi nanopore me ke anawaena o kahi 200 nm ma ka ʻāpana me kahi index refractive i hoʻemi ʻia.

Ma o ke kālai ʻana o ke kukuna ion a me nā ʻōnaehana nānā ʻana i ka microscope electron scanning in-situ, ua hōʻoia hou mākou i ke alo o ka nanopore (Kiʻi c). No laila, i mea e hōʻemi ai i ka hana ʻana o nā hemahema i hoʻokomo ʻia e ka laser, ʻaʻole pono e ʻoi aku ka ikehu pulse hoʻokahi ma mua o 9.5 μJ i ka wā o ka hoʻopili ʻana o ka laser.

3. Ke hoʻokō nei i ka Micro-Welding Kiʻekiʻe ma waena o nā aniani Silica Fused me ka hoʻohana ʻana i ka Bessel Ultrashort Pulse Laser.

Hōʻike ke Kiʻi (a) i kahi micrograph mai luna mai o ka ʻili wili o ka laʻana. Hiki ke ʻike ʻia he like a laumania ka laina wili laser. ʻOiai aia kekahi mau hemahema micropore i hoʻokaʻawale ʻia ma ka ʻāpana i wili ʻia, ma ke ʻano holoʻokoʻa, ʻoi aku ka maikaʻi ma mua o ka laina wili laser Gaussian. Hōʻike nā ana he 18 μm ka laulā o ka laina wili, a ʻo ka mamao ma waena o nā laina wili he 40 μm. Hōʻike ke Kiʻi (b) i kahi micrograph mai ʻaoʻao mai o ka laina wili o ka laʻana.

Hiki ke ʻike ʻia ua nalowale loa ka hakahaka ma waena o nā laʻana ma hope o ka hana ʻana o ka laser, a ua hui pū ka mea kokoke i ka interface i loko o hoʻokahi mea ma hope o ke kaʻina hana hoʻoheheʻe-hoʻoluʻu wela. Hōʻike nā ana ʻana ua hiki i ka hohonu o ka ʻāpana hoʻoheheʻe wela i hoʻokomo ʻia e ka laser a hiki i ka 227 μm. Hōʻike kēia i ka wā o ka hoʻoheheʻe laser me kēia mau palena, hiki i ka hohonu axial o ke kūlana focal ke hiki i ka 227 μm, ʻo ia hoʻi ʻehā manawa o ka hoʻoheheʻe laser Gaussian ma lalo o nā kūlana like.

4. Ma hea e kūʻai ai i nā aniani Bessel?

Hāʻawi ʻo Wavelength Opto-Electronic i nā aniani Bessel kiʻekiʻe e hoʻohana ʻia ana i nā noi hana laser. ʻO ka hiki ke hoʻololi i ka hohonu o ke kiko o ka beam output ma ka hoʻoponopono ʻana i ka nui o ke anawaena beam input ka hiʻohiʻona hoihoi loa o kēia ʻōnaehana optical Bessel beam.