Une méthode d’auto-focalisation ultra-rapide dans le traitement laser

Dans le domaine de la fabrication basée sur le laser, l’adaptation à des surfaces non plates ou changeantes a toujours été un défi. Une équipe de chercheurs a développé une méthode innovante pour surmonter ces obstacles, ouvrant de nouvelles perspectives pour le traitement des matériaux à grande vitesse.

Dans le domaine de la fabrication laser, l’adaptation à des surfaces non plates ou changeantes a traditionnellement été un processus laborieux, impliquant des procédures complexes de cartographie de la mise au point et/ou une caractérisation ex-situ. Cela entraîne souvent des erreurs de repositionnement et des temps de traitement prolongés.

La plupart des techniques d’auto-focalisation nécessitent encore un mouvement mécanique d’une étape motorisée. Ce mouvement mécanique dans l’axe de propagation du faisceau peut être significativement plus lent que la vitesse latérale, ralentissant ainsi le processus de détection de la surface et de réalignement.

Une nouvelle méthode pour une auto-focalisation ultra-rapide

Dans un nouvel article publié dans Light Science & Applications, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Craig B. Arnold du Département de génie mécanique et aérospatial de l’Université de Princeton, USA, a développé une méthode rapide pour suivre simultanément la localisation spécifique d’une surface et ajuster la mise au point d’un système optique.

Ils ont utilisé des optiques varifocales axiales, spécifiquement une lentille TAG, qui fonctionne à 0,1-1 MHz, contournant les retards dus au mouvement mécanique dans la direction de propagation du faisceau.

L’équipe a innové en utilisant le balayage dynamique z pour la détection et le mouvement simultanément sans aucun mouvement axial mécanique. Le temps entre la détection de la surface, la récupération de la mise au point et le déclenchement de l’impulsion laser de fabrication est théoriquement dans deux périodes de balayage z, ou plusieurs microsecondes, nettement plus rapide que tout système de re-focalisation basé mécaniquement combiné avec des éléments de détection de position de surface secondaires.

Principe opérationnel et potentiel de la méthode

Les chercheurs ont expliqué le principe opérationnel de leur méthode d’auto-focalisation : « Nous avons intégré une seule lentille varifocale dans un dispositif à deux faisceaux laser, composé d’un faisceau de sondage et d’un faisceau de fabrication. Le faisceau de sondage balaye continuellement le long de l’axe z, et la réponse temporelle de sa réflexion est liée à la localisation de la surface. Simultanément, nous guidons le faisceau de fabrication vers la position souhaitée en déclenchant le laser de fabrication au moment approprié. Cette approche réduit les impulsions laser défocusées et augmente la vitesse de traitement lors du traitement d’échantillons non plats ou changeants. »

Les chercheurs ont également souligné le potentiel de cette technique pour l’auto-focalisation avec un système de détection et de focalisation en temps réel fait en laboratoire, conçu pour suivre instantanément la topographie de la surface sans aucun mouvement mécanique dans la direction z.

En synthèse

Cette solution innovante pour l’alignement axial de la mise au point ouvre de nouvelles possibilités pour le traitement des matériaux de surfaces non plates et variables à grande vitesse. Le passage du mouvement mécanique des éléments optiques à la formation dynamique du faisceau de lumière continuera à inspirer de nouvelles applications passionnantes dans la métrologie optique et la fabrication laser 3D.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’auto-focalisation dans le traitement laser ?

L’auto-focalisation dans le traitement laser est une technique qui permet d’ajuster automatiquement la mise au point d’un système optique pour suivre les variations de la surface d’un matériau pendant le traitement.

Quels sont les défis de l’auto-focalisation dans le traitement laser ?

Les défis de l’auto-focalisation dans le traitement laser comprennent la nécessité de mouvements mécaniques pour ajuster la mise au point, ce qui peut ralentir le processus de détection et de réalignement de la surface.

Quelle est la nouvelle méthode développée par l’équipe de chercheurs ?

L’équipe de chercheurs a développé une méthode qui utilise le balayage dynamique z pour la détection et le mouvement simultanément sans aucun mouvement axial mécanique, ce qui permet une auto-focalisation ultra-rapide.

Quel est le principe opérationnel de cette nouvelle méthode ?

Le principe opérationnel de cette nouvelle méthode consiste à intégrer une seule lentille varifocale dans un dispositif à deux faisceaux laser, et à utiliser le balayage continu le long de l’axe z pour la détection de la surface et le guidage du faisceau de fabrication.

Quel est le potentiel de cette nouvelle méthode ?

Cette nouvelle méthode a le potentiel d’ouvrir de nouvelles possibilités pour le traitement des matériaux de surfaces non plates et variables à grande vitesse, et pourrait inspirer de nouvelles applications dans la métrologie optique et la fabrication laser 3D.

Références

Article : « Single-lens dynamic-scanning for simultaneous in situ position detection and laser processing focus control » – DOI: 10.1038/s41377-023-01303-2