Dynamisk z-scanning til ultrahurtig autofokusering i laserbehandling

I laserbaseret fremstilling har det traditionelt været arbejdskrævende at rumme ikke-flade eller skiftende overflader, hvilket involverer komplekse fokuskortlægningsprocedurer og eller ex-situ karakterisering. Dette resulterer ofte i omplaceringsfejl og forlængede behandlingstider.

For at løse disse problemer er der udviklet ultra-højhastigheds autofokusering i laserbehandling. Hvorimod de fleste autofokusteknikker stadig kræver den mekaniske bevægelse af en motoriseret scene. Denne mekaniske bevægelse i stråleudbredelsesaksen kan være betydeligt langsommere end sidehastigheden, hvilket bremser processen med overfladedetektering og genjustering. Desuden kræver det feedback-, kontrol- og sensingmetoder for at bestemme den optiske brændpunktsposition.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , udviklede et team af forskere, ledet af professor Craig B. Arnold fra Department of Mechanical and Aerospace Engineering ved Princeton University, U.S., en hurtig metode til samtidig at spore den specifikke placering af en overflade og justere fokus for et optisk system. De brugte aksial varifokal optik, specifikt en TAG-linse, som fungerer ved 0,1-1 MHz, og omgår forsinkelser fra den mekaniske bevægelse i strålens udbredelsesretning.

Holdet brugte innovativt dynamisk z-scanning til både detektion og bevægelse samtidigt uden nogen mekanisk aksial bevægelse. Tiden mellem overfladedetektering, genfinding af fokus og affyring af fabrikationslaserimpulsen er teoretisk inden for to perioder med z-scanning, eller flere mikrosekunder, betydeligt hurtigere end noget mekanisk baseret refokuseringssystem kombineret med sekundære overfladepositionsfølende elementer.

Holdet forklarede det operationelle princip for deres autofokusmetode:"Vi integrerede en enkelt varifokal linse i en dobbelt laserstråleopsætning, bestående af en sonderingsstråle og en fremstillingsstråle. Sondestrålen scanner kontinuerligt langs z-aksen, og den tidsmæssige reaktion af dens refleksion er relateret til overfladens placering."

"Samtidigt leder vi fabrikationsstrålen til den ønskede position ved at udløse fabrikationslaseren på det passende tidspunkt. Denne fremgangsmåde reducerer defokuserede laserimpulser og øger behandlingshastigheden ved behandling af ikke-flade eller skiftende prøver."

Forskerne fremhævede også potentialet i denne teknik til autofokusering med et laboratoriefremstillet realtidsdetektions- og fokuseringssystem, designet til øjeblikkeligt at følge overfladetopografien uden nogen mekanisk bevægelse i z-retningen.

"Denne nye løsning til aksial fokusjustering åbner nye muligheder for materialebehandling af ikke-flade og variable overflader ved høje hastigheder. Vi tror på, at skiftet fra mekanisk bevægelse af optiske elementer til dynamisk stråleformning af lys vil blive ved med at inspirere til mere spændende applikationer inden for optisk metrologi. og 3D-laserfremstilling."

Flere oplysninger: Xiaohan Du et al., Single-linse dynamisk z-scanning til samtidig in situ positionsdetektion og laserbehandling fokuskontrol, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01303-2

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Chinese Academy of Sciences