Inom laserbaserad tillverkning har det traditionellt varit arbetsintensivt att ta emot icke-plana eller föränderliga ytor, med komplexa fokuskartläggningsprocedurer och eller ex-situ karakterisering. Detta resulterar ofta i ompositioneringsfel och förlängda handläggningstider.

För att lösa dessa problem har ultrahöghastighets autofokusering i laserbehandling utvecklats. Medan de flesta autofokustekniker fortfarande kräver den mekaniska rörelsen av en motoriserad scen. Denna mekaniska rörelse i strålens utbredningsaxel kan vara betydligt långsammare än sidohastigheten, vilket saktar ner processen för ytdetektering och ominriktning. Dessutom kräver det feedback, kontroll och avkänningsmetoder för att bestämma den optiska brännpunktspositionen.

I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av professor Craig B. Arnold från Department of Mechanical and Aerospace Engineering vid Princeton University, USA, utvecklade en snabb metod för att samtidigt spåra den specifika platsen för en yta och justera fokus för ett optiskt system. De använde axiell varifokal optik, närmare bestämt en TAG-lins, som arbetar vid 0,1-1 MHz, som kringgår fördröjningar från den mekaniska rörelsen i strålens utbredningsriktning.

Teamet använde innovativt dynamisk z-scanning för både detektering och rörelse samtidigt utan någon mekanisk axiell rörelse. Tiden mellan ytdetektering, fokushämtning och avfyring av tillverkningslaserpulsen är teoretiskt sett inom två perioder av z-skanning, eller flera mikrosekunder, betydligt snabbare än något mekaniskt baserat omfokuseringssystem kombinerat med sekundära ytpositionsavkänningselement.

Teamet förklarade funktionsprincipen för deras autofokuseringsmetod, "Vi integrerade en enda varifokal lins i en dubbel laserstråleuppsättning, bestående av en sonderingsstråle och en tillverkningsstråle. Sondstrålen skannar kontinuerligt längs z-axeln, och temporal respons av dess reflektion är relaterad till ytans placering."

"Samtidigt styr vi tillverkningsstrålen till önskad position genom att trigga tillverkningslasern vid lämplig tidpunkt. Detta tillvägagångssätt minskar defokuserade laserpulser och ökar bearbetningshastigheten vid bearbetning av icke-platta eller växlande prover."

Forskarna lyfte också fram potentialen hos denna teknik för autofokusering med ett labbtillverkat realtidsdetektering och fokuseringssystem, designat för att omedelbart följa yttopografin utan någon mekanisk rörelse i z-riktningen.

"Denna nya lösning för axiell fokusinriktning öppnar nya möjligheter för materialbearbetning av icke-platta och variabla ytor vid höga hastigheter. Vi tror att skiftet från mekanisk rörelse av optiska element till dynamisk strålformning av ljus kommer att fortsätta inspirera till fler spännande tillämpningar inom optisk metrologi och 3D-lasertillverkning."

Mer information: Xiaohan Du et al, Enlins dynamisk z-skanning för samtidig positionsdetektering på plats och laserbearbetningsfokuskontroll, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01303-2

Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar

Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences