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(dòng)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(huì)導(dǎo)致重新定位錯(cuò)誤和延長(zhǎng)處理時(shí)間。

為了解決這些問題，激光加工中的超高速自動(dòng)聚焦技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來。然而，大多數(shù)自動(dòng)聚焦技術(shù)仍然需要電動(dòng)載物臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。光束傳播軸上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可能比橫向速度慢得多，從而減緩了表面檢測(cè)和重新對(duì)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(guó)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(gè)研究小組開發(fā)了一種快速方法，可以同時(shí)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(dòng)的延遲。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地使用動(dòng)態(tài)z掃描同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和移動(dòng)，而無需任何機(jī)械軸向移動(dòng)。表面檢測(cè)、焦點(diǎn)檢索和制造激光脈沖發(fā)射之間的時(shí)間理論上在z掃描的兩個(gè)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(jí)表面位置傳感元件的組合。

該團(tuán)隊(duì)解釋了他們的自動(dòng)聚焦方法的操作原理，“我們將一個(gè)變焦透鏡集成到一個(gè)由探測(cè)光束和制造光束組成的雙激光束裝置中。探測(cè)光束沿z軸連續(xù)掃描，其反射的時(shí)間響應(yīng)與表面位置有關(guān)。同時(shí)，我們通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(shí)，可以減少散焦的激光脈沖，提高處理速度。”

研究人員還強(qiáng)調(diào)：“這種技術(shù)通過實(shí)驗(yàn)室制造的實(shí)時(shí)檢測(cè)和聚焦系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)聚焦的潛力，該系統(tǒng)旨在即時(shí)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(dòng)。”

上圖顯示了通過粘附三片硅片制成的兩步表面的實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦激光打標(biāo)過程中的表面位置。這三個(gè)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(dòng)態(tài)Z掃描自動(dòng)對(duì)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(shí)的加工速度。

“這種新的軸向聚焦對(duì)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(dòng)到光束動(dòng)態(tài)成形的轉(zhuǎn)變，將不斷激發(fā)光學(xué)計(jì)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