观察激光相互作用的新方法可以改善基于激光的制造

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尽管数十年来对激光及其应用进行了大量研究,但几乎没有方法可以准确、有效和直接观察其与材料相互作用的精细细节。研究人员首次发现了一种使用低成本设备从生产激光器中获取此类数据的方法,该设备可以极大地提高用激光切割或蚀刻的物品的准确性。鉴于激光器的普遍存在,这可能对实验室,商业和工业应用产生广泛的影响。


激光在现代世界中的应用非常广泛。特别是制造领域,因为激光可以操作的精度水平远高于等效的物理工具。但是,从理论上讲,这种精确度甚至更高,从而导致了新一代尚未想象的技术。但是,仍有一些障碍需要克服。可以提高激光精度的一种重要方法是,如果有更好的方法来获取有关激光与材料相互作用的方式的反馈。这样,在生产激光器的切割和蚀刻动作中将具有更大的控制力和更少的不确定性。事实证明,到目前为止,这个问题难以解决。

观察激光相互作用的新方法可以改善基于激光的制造

(左下)激光在材料上打孔。(左上方)测量激光的通量。(右下)叠加了通量和孔深的测量值。(右上)然后确定这些测量值之间的关系,以便可以仅基于注量来计算孔深度。


测量激光切割到表面的距离通常需要数十或数百个深度读数。这对于快速,自动化的基于激光的生产系统来说是一个很大的障碍,东京大学物理系的Junji Yumoto教授补充说,因此,我们设计了一种新的方法来确定和预测激光脉冲产生的孔的深度,该方法基于单个观察结果而不是数十个或数百个观察结果。这一发现是提高激光加工可控性的重要一步。

观察激光相互作用的新方法可以改善基于激光的制造

Yumoto和他的团队想知道如何使用尽可能少的信息来确定激光孔的深度。这导致他们研究所谓的激光脉冲通量,即脉冲在给定区域内传递的光能。直到最近,仍需要昂贵的成像设备来观察这种注量,并且这通常缺乏足够的分辨率。但是由于电子和光学其他领域的发展,相对简单的Raspberry Pi摄像机版本2证明可以胜任这项工作。


当他们的测试激光设备在蓝宝石上打孔时,照相机直接记录了激光脉冲的注量分布。然后,激光显微镜测量孔的形状。通过将这两个结果叠加并使用一些现代的数值方法,该团队得出了一个庞大而可靠的数据集,该数据集可以准确地告诉您通量和孔深之间的关系。


Yumoto表示,这相当于从一次测量中提取了大约250,000个数据点。我们的新方法可以有效地为机器学习提供大数据,并提供新的数值模拟方法,以提高用于制造的激光加工的准确性和可控性。


这项研究为未来打开新前景。实际上,当前的方法对于不同激光系统之间实验结果的定量比较非常重要,在这种系统中,光束轮廓的空间偏差可能起着不可忽略的作用。即使在相同的激光系统的情况下,由于参数的变化(例如OPA的波长)也可能产生强烈的偏差。在此,测量精度受到不同波长设置之间光束质量偏差的限制,这在先前有关消融阈值的波长依赖性的研究中也被讨论为可能的限制因素。在基本物理学方面,这种方法使我们能够直接分析整个烧蚀形态的局部能量密度依赖性,这在载流子超快扩散发生的速度快于电子晶格热化时间的材料中可能是重要的。结合时间分辨技术,这可以为我们理解亚皮秒级时间范围内发生的不规则辐射的过程开辟途径。最后,在局部现象的情况下,这种方法有效创建独特的烧蚀深度依赖性图的能力对于数据密集型研究也同样重要。从单个陨石坑获得数千个数据点的能力为在激光激发下对各种材料的行为进行方法分类的机会提供了机会,从而创建了一个烧蚀“指纹”数据库。例如,对局部能量密度的深度依赖性应反映激光能量的有效穿透深度,并应阐明目前正在讨论的非线性光吸收过程。虽然这些功能形式可能很难用当前的理论来分析。


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