Varredura z dinâmica para foco automático ultrarrápido em processamento a laser
Ilustração do princípio de funcionamento da varredura z dinâmica para foco automático. A modelagem dinâmica do feixe é obtida por uma única lente TAG operando a 140-380kHz em uma configuração de caminho de feixe duplo (feixe de sondagem em verde e feixe de fabricação em vermelho). O primeiro laser é usado para rastrear a posição precisa da superfície enquanto o sistema faz a varredura. O segundo laser é sincronizado com a lente TAG de modo que a posição focal desejada seja alcançada na superfície. Crédito:por Xiaohan Du, Camilo Florian, Craig B. Arnold Na fabricação baseada em laser, acomodar superfícies não planas ou mutáveis tem sido tradicionalmente trabalhoso, envolvendo procedimentos complexos de mapeamento de foco e/ou caracterização ex-situ. Isso geralmente resulta em erros de reposicionamento e em tempos de processamento prolongados.
Para resolver esses problemas, foi desenvolvida a focagem automática de ultra-alta velocidade no processamento a laser. Considerando que a maioria das técnicas de foco automático ainda requer o movimento mecânico de um estágio motorizado. Este movimento mecânico no eixo de propagação do feixe pode ser significativamente mais lento que a velocidade lateral, retardando o processo de detecção e realinhamento da superfície. Além disso, requer métodos de feedback, controle e detecção para determinar a posição focal óptica.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de pesquisadores, liderada pelo professor Craig B. Arnold, do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade de Princeton, nos EUA, desenvolveu um método rápido para rastrear simultaneamente a localização específica de uma superfície e ajustar o foco de um sistema óptico. Eles empregaram óptica varifocal axial, especificamente uma lente TAG, que opera a 0,1-1 MHz, contornando atrasos do movimento mecânico na direção de propagação do feixe.
A equipe usou de forma inovadora a varredura z dinâmica para detecção e movimento simultaneamente, sem qualquer movimento axial mecânico. O tempo entre a detecção da superfície, a recuperação do foco e o disparo do pulso de laser de fabricação é teoricamente dentro de dois períodos de varredura z, ou vários microssegundos, significativamente mais rápido do que qualquer sistema de refocagem baseado em mecânica combinado com elementos de detecção de posição de superfície secundária.
A equipe explicou o princípio operacional de seu método de foco automático:"Integramos uma única lente varifocal em uma configuração de feixe de laser duplo, consistindo em um feixe de sondagem e um feixe de fabricação. O feixe de sondagem varre continuamente ao longo do eixo z, e o a resposta temporal de sua reflexão está relacionada à localização da superfície."
"Simultaneamente, orientamos o feixe de fabricação para a posição desejada, acionando o laser de fabricação no momento apropriado. Essa abordagem reduz os pulsos de laser desfocados e aumenta a velocidade de processamento ao processar amostras não planas ou variáveis." A figura à esquerda exibe a posição da superfície durante a marcação a laser com foco automático em tempo real de uma superfície de duas etapas feita pela colagem de três pedaços de pastilhas de silício. As três superfícies são rotuladas por A, B e C. A figura da direita mostra a microscopia 3D da superfície de duas etapas, onde a linha no centro demonstra a marcação uniforme a laser na superfície escalonada. Em comparação com o processamento convencional de foco fixo, a abordagem de foco automático com varredura z dinâmica reduz os pulsos de laser desfocados e aumenta a velocidade de processamento ao processar superfícies não planas ou variáveis. Crédito:por Xiaohan Du, Camilo Florian, Craig B. Arnold Os pesquisadores também destacaram o potencial desta técnica para foco automático com um sistema de detecção e foco em tempo real feito em laboratório, projetado para seguir instantaneamente a topografia da superfície sem qualquer movimento mecânico na direção z.
"Esta nova solução para alinhamento de foco axial abre novas possibilidades para o processamento de materiais de superfícies não planas e variáveis em altas velocidades. Acreditamos que a mudança do movimento mecânico de elementos ópticos para a modelagem dinâmica do feixe de luz continuará inspirando aplicações mais interessantes em metrologia óptica e fabricação a laser 3D."
Mais informações: Xiaohan Du et al, Varredura z dinâmica de lente única para detecção simultânea de posição in situ e controle de foco de processamento a laser, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01303-2 Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações
