在激光制造中，適應(yīng)不平坦或不斷變化的表面?zhèn)鹘y(tǒng)上是勞動密集型的，涉及復(fù)雜的聚焦映射過程或異位表征。這通常會導(dǎo)致重新定位錯誤和延長處理時間。

為了解決這些問題，激光加工中的超高速自動聚焦技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來。然而，大多數(shù)自動聚焦技術(shù)仍然需要電動載物臺的機(jī)械運(yùn)動。光束傳播軸上的機(jī)械運(yùn)動可能比橫向速度慢得多，從而減緩了表面檢測和重新對準(zhǔn)的過程。此外，它需要反饋、控制和傳感方法來確定光學(xué)焦點(diǎn)位置。

最新發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上的一篇論文中，由美國普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系克雷格·B·阿諾德教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組開發(fā)了一種快速方法，可以同時跟蹤表面的特定位置并調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的焦距。他們采用了軸向變焦光學(xué)元件，特別是TAG透鏡，其工作頻率為0.1-1 MHz，繞過了光束傳播方向上機(jī)械運(yùn)動的延遲。

該團(tuán)隊創(chuàng)新性地使用動態(tài)z掃描同時進(jìn)行檢測和移動，而無需任何機(jī)械軸向移動。表面檢測、焦點(diǎn)檢索和制造激光脈沖發(fā)射之間的時間理論上在z掃描的兩個周期內(nèi)，或幾微秒內(nèi)，明顯快于任何基于機(jī)械的重新聚焦系統(tǒng)與次級表面位置傳感元件的組合。

該團(tuán)隊解釋了他們的自動聚焦方法的操作原理，“我們將一個變焦透鏡集成到一個由探測光束和制造光束組成的雙激光束裝置中。探測光束沿z軸連續(xù)掃描，其反射的時間響應(yīng)與表面位置有關(guān)。同時，我們通過在適當(dāng)?shù)臅r間觸發(fā)制造激光，將制造光束引導(dǎo)到所需的位置。這種方法在處理非平面或變化樣品時，可以減少散焦的激光脈沖，提高處理速度?！?/p>

研究人員還強(qiáng)調(diào)：“這種技術(shù)通過實驗室制造的實時檢測和聚焦系統(tǒng)進(jìn)行自動聚焦的潛力，該系統(tǒng)旨在即時跟蹤表面形貌，而無需在z方向上進(jìn)行任何機(jī)械運(yùn)動。”

上圖顯示了通過粘附三片硅片制成的兩步表面的實時自動對焦激光打標(biāo)過程中的表面位置。這三個表面分別用A、B和C標(biāo)記。下圖顯示了兩步曲面的3D顯微鏡，其中中心的線顯示了階梯曲面上的均勻激光打標(biāo)。與傳統(tǒng)的定焦加工相比，動態(tài)Z掃描自動對焦方法減少了散焦激光脈沖，提高了加工非平面或變化表面時的加工速度。

“這種新的軸向聚焦對準(zhǔn)解決方案為高速非平面和可變表面的材料加工開辟了新的可能性。我們相信，從光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動到光束動態(tài)成形的轉(zhuǎn)變，將不斷激發(fā)光學(xué)計量和3D激光制造領(lǐng)域更多令人興奮的應(yīng)用。”


審核編輯 黃宇