Monitoraggio in tempo reale della profondità di ablazione laser mediante interferometria a retroazione

Laser ablation is used in different kind of micromachining, thanks to high precision achievable and non-contact nature of machining. In this context, the process monitoring, especially regarding dimensional control, is of great importance. One industrial application of laser ablation is microdrilling. For this operation, dimensional control is essential, particularly regarding ablation depth. Laser microdrilling is used for numerous applications, including laser surface texturing (LST). In this specific operation, ablation depth requires precise real time monitoring, especially when it is performed on ceramic coatings deposited on steel substrates. For this purpose different monitoring techniques have already been tried, but certainly those based on optical interferometry allow high spatial and time resolutions. Self-Mixing Interferometry is recently proving great interest for this application. This work studies the SMI applicability and accuracy for real time ablation depth monitoring and measuring. This monitoring technique is studied during laser microdrilling of thin ceramic coating (TiAlN), characterized by a thickness of 12 ± 0,7 𝜇m. The method used for drilling the hole is percussion drilling. It allows the study of SMI applicability for LST monitoring. Accuracy of the measurement method has been verified in a very large range of ablation depth, by comparing the SMI measurements with the real drilling depth, obtained through conventional focus variation microscope. This allowed the determination of the SMI measurement error, and the study of its causes. Results show that SMI is able to monitor ablation depth with measurement error below its intrinsic resolution (𝜆int/2=393 nm). The measurement error is independent from the processing condition and from the hole depth. This work also shows the possibility of monitoring the ablation products by SMI, studying the changes in the optical path generated by them against the interferometer beam.

Il processo di ablazione laser viene utilizzato in un'ampia varietà di microlavorazioni, grazie alle elevate precisioni raggiungibili ed alla natura di lavorazione senza contatto. In questo ambito il monitoraggio di processo, soprattutto in merito al controllo dimensionale, assume un ruolo di grande importanza. In campo industriale una delle applicazioni di maggior rilevanza dell'ablazione laser è sicuramente quella della microforatura. Per questa lavorazione, il controllo dimensionale diventa essenziale, specialmente riguardo alla profondità di ablazione. La microforatura viene utilizzata per numerose applicazioni, tra le quali è presente l'operazione di textuizzazione laser di superfici (LST, Laser Surface Texturing). In questo impiego specifico la profondità di ablazione necessita di un accurato monitoraggio in tempo reale, soprattutto quando viene realizzata su rivestimenti ceramici depositati su substrati in acciaio. A tale scopo sono diverse le tecniche di monitoraggio già sperimentate, ma sicuramente quelle basate sull'interferometria ottica consentono elevate risoluzioni spaziali e temporali. L'interferometria a retroazione (Self-Mixing Interferometry, SMI) si sta recentemente dimostrando di grande interesse per questa applicazione. Nel presente lavoro di tesi viene verificata l'applicabilità e l'accuratezza di quest'ultima come strumento di monitoraggio e controllo in tempo reale della profondità di ablazione. Questa tecnica viene studiata durante l'operazione di microforatura laser di un rivestimento ceramico (TiAlN) caratterizzato da uno spessore di 12 ± 0,7 𝜇m. La modalità utilizzata per la foratura è quella a percussione, che consente di valutare l'applicabilità della SMI come strumento di monitoraggio delle lavorazioni di texturizzazione superficiale. L'accuratezza del metodo di misura è stata verificata in un campo di profondità di ablazione molto ampio, comparando le misure effettuate con le reali profondità di foratura, quest'ultime ricavate utilizzando un convenzionale microscopio a variazione di fuoco. Ciò ha permesso di determinare l'errore commesso nelle misure realizzate mediante SMI, e di studiarne le cause. I risultati mostrano che la SMI è in grado di monitorare la profondità di ablazione commettendo un errore che rientra nella risoluzione intrinseca dello strumento di misura (𝜆int/2=393 nm), indipendentemente dalle condizioni di processo utilizzate e dalla profondità monitorata. Viene inoltre mostrata la possibilità di monitorare mediante SMI l'evoluzione dei prodotti di ablazione, studiando le variazioni di cammino ottico da essi generate nei confronti del fascio interferometrico.