在激光制造中，適應不平坦或不斷變化的表面傳統上是勞動密集型的，涉及復雜的聚焦映射過程或異位表征。這通常會導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已經發展起來。然而，大多數自動聚焦技術仍然需要電動載物臺的機械運動。光束傳播軸上的機械運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的過程。此外，它需要反饋、控制和傳感方法來確定光學焦點位置。

最新發表在《光：科學與應用》雜志上的一篇論文中，由美國普林斯頓大學機械與航空航天工程系克雷格·B·阿諾德教授領導的一個研究小組開發了一種快速方法，可以同時跟蹤表面的特定位置并調整光學系統的焦距。他們采用了軸向變焦光學元件，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械運動的延遲。

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

該團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軸連續掃描，其反射的時間響應與表面位置有關。同時，我們通過在適當的時間觸發制造激光，將制造光束引導到所需的位置。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。”

研究人員還強調：“這種技術通過實驗室制造的實時檢測和聚焦系統進行自動聚焦的潛力，該系統旨在即時跟蹤表面形貌，而無需在z方向上進行任何機械運動。”

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過程中的表面位置。這三個表面分別用A、B和C標記。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。與傳統的定焦加工相比，動態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，從光學元件的機械運動到光束動態成形的轉變，將不斷激發光學計量和3D激光制造領域更多令人興奮的應用。”


審核編輯 黃宇