Bij op laser gebaseerde productie is het accommoderen van niet-vlakke of veranderende oppervlakken van oudsher arbeidsintensief, waarbij complexe focus mapping-procedures en/of ex-situ karakterisering betrokken zijn. Dit resulteert vaak in herpositioneringsfouten en langere verwerkingstijden.

Om deze problemen aan te pakken, is ultrasnelle autofocus bij laserverwerking ontwikkeld. Terwijl de meeste autofocustechnieken nog steeds de mechanische beweging van een gemotoriseerde tafel vereisen. Deze mechanische beweging in de voortplantingsas van de straal kan aanzienlijk langzamer zijn dan de laterale snelheid, waardoor het proces van oppervlaktedetectie en heruitlijning wordt vertraagd. Bovendien zijn er feedback-, controle- en detectiemethoden nodig om de optische brandpuntspositie te bepalen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications heeft een team van onderzoekers, onder leiding van professor Craig B. Arnold van de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Princeton University, VS, een snelle methode ontwikkeld om tegelijkertijd de specifieke locatie van een oppervlak te volgen en de focus van een optisch systeem aan te passen. Ze gebruikten axiale varifocale optica, met name een TAG-lens, die werkt op 0,1-1 MHz, waardoor vertragingen van de mechanische beweging in de voortplantingsrichting van de straal worden omzeild.

Het team maakte op innovatieve wijze gebruik van dynamische z-scanning voor zowel detectie als beweging tegelijk, zonder enige mechanische axiale beweging. De tijd tussen oppervlaktedetectie, het ophalen van de focus en het afvuren van de fabricagelaserpuls is theoretisch binnen twee perioden van z-scannen, of enkele microseconden, aanzienlijk sneller dan enig mechanisch gebaseerd herfocusseringssysteem gecombineerd met secundaire oppervlaktepositiedetectie-elementen. P>

Het team legde het werkingsprincipe van hun autofocusmethode uit:"We integreerden een enkele varifocale lens in een dubbele laserstraalopstelling, bestaande uit een sondestraal en een fabricagestraal. De sondestraal scant continu langs de z-as, en de de temporele respons van de reflectie ervan is gerelateerd aan de locatie aan het oppervlak."

"Tegelijkertijd leiden we de fabricagestraal naar de gewenste positie door de fabricagelaser op het juiste moment te activeren. Deze aanpak vermindert onscherpe laserpulsen en verhoogt de verwerkingssnelheid bij het verwerken van niet-vlakke of wisselende monsters."

De onderzoekers benadrukten ook het potentieel van deze techniek voor autofocus met een in het laboratorium gemaakt realtime detectie- en focussysteem, ontworpen om onmiddellijk de oppervlaktetopografie te volgen zonder enige mechanische beweging in de z-richting.

"Deze nieuwe oplossing voor axiale focusuitlijning opent nieuwe mogelijkheden voor materiaalverwerking van niet-vlakke en variabele oppervlakken met hoge snelheden. Wij geloven dat de verschuiving van mechanische beweging van optische elementen naar dynamische bundelvorming van licht spannendere toepassingen in de optische metrologie zal blijven inspireren en 3D-laserproductie."

Meer informatie: Xiaohan Du et al., Dynamische z-scanning met één lens voor gelijktijdige in-situ positiedetectie en focuscontrole met laserverwerking, Licht:wetenschap en toepassingen (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01303-2

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen