Bei der laserbasierten Fertigung war die Anpassung nicht ebener oder wechselnder Oberflächen traditionell arbeitsintensiv und erforderte komplexe Fokus-Mapping-Verfahren und/oder Ex-situ-Charakterisierung. Dies führt häufig zu Umpositionierungsfehlern und verlängerten Bearbeitungszeiten.
Um diese Probleme anzugehen, wurde eine ultraschnelle Autofokussierung in der Laserbearbeitung entwickelt. Während die meisten Autofokussierungstechniken immer noch die mechanische Bewegung eines motorisierten Tisches erfordern. Diese mechanische Bewegung in der Strahlausbreitungsachse kann deutlich langsamer sein als die seitliche Geschwindigkeit, wodurch der Prozess der Oberflächenerkennung und Neuausrichtung verlangsamt wird. Darüber hinaus sind Feedback-, Steuerungs- und Erfassungsmethoden erforderlich, um die optische Fokusposition zu bestimmen.
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungen, entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Craig B. Arnold vom Department of Mechanical and Aerospace Engineering der Princeton University, USA, eine schnelle Methode, um gleichzeitig die spezifische Position einer Oberfläche zu verfolgen und den Fokus eines optischen Systems anzupassen. Sie verwendeten eine axiale Variooptik, insbesondere eine TAG-Linse, die mit 0,1–1 MHz arbeitet und Verzögerungen durch die mechanische Bewegung in der Strahlausbreitungsrichtung umgeht.
Das Team nutzte auf innovative Weise dynamisches Z-Scanning zur gleichzeitigen Erkennung und Bewegung ohne mechanische Axialbewegung. Die Zeit zwischen Oberflächenerkennung, Fokuswiederherstellung und Abfeuern des Herstellungslaserimpulses liegt theoretisch innerhalb von zwei Perioden des Z-Scannens oder mehreren Mikrosekunden und ist damit deutlich schneller als bei jedem mechanisch basierten Neufokussierungssystem in Kombination mit sekundären Oberflächenpositionserfassungselementen.
Das Team erläuterte das Funktionsprinzip seiner Autofokussierungsmethode: „Wir haben eine einzelne Varifokallinse in einen Dual-Laserstrahlaufbau integriert, der aus einem Prüfstrahl und einem Fertigungsstrahl besteht. Der Prüfstrahl scannt kontinuierlich entlang der Z-Achse und die Die zeitliche Reaktion seiner Reflexion hängt mit der Position an der Oberfläche zusammen.
„Gleichzeitig führen wir den Fertigungsstrahl an die gewünschte Position, indem wir den Fertigungslaser zum richtigen Zeitpunkt auslösen. Dieser Ansatz reduziert defokussierte Laserpulse und erhöht die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei der Bearbeitung nicht flacher oder wechselnder Proben.“
Die Forscher hoben auch das Potenzial dieser Technik für die automatische Fokussierung mit einem im Labor hergestellten Echtzeit-Erkennungs- und Fokussierungssystem hervor, das so konzipiert ist, dass es der Oberflächentopographie ohne mechanische Bewegung in Z-Richtung sofort folgt.
„Diese neuartige Lösung für die axiale Fokusausrichtung eröffnet neue Möglichkeiten für die Materialbearbeitung von nicht ebenen und variablen Oberflächen bei hohen Geschwindigkeiten. Wir glauben, dass der Wandel von der mechanischen Bewegung optischer Elemente zur dynamischen Strahlformung des Lichts immer mehr spannende Anwendungen in der optischen Messtechnik inspirieren wird.“ und 3D-Laserfertigung.“
Mehr Informationen:
Xiaohan Du et al., Dynamisches Z-Scanning mit einer Linse zur gleichzeitigen In-situ-Positionserkennung und Laserbearbeitungsfokussteuerung, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01303-2