用于激光加工中的超快自动对焦

在激光制造中，适应不平坦或不断变化的表面传统上是劳动密集型的，涉及复杂的聚焦映射过程或异位表征。这通常会导致重新定位错误和延长处理时间。

为了解决这些问题，激光加工中的超高速自动聚焦技术已经发展起来。然而，大多数自动聚焦技术仍然需要电动载物台的机械运动。光束传播轴上的机械运动可能比横向速度慢得多，从而减缓了表面检测和重新对准的过程。此外，它需要反馈、控制和传感方法来确定光学焦点位置。

用于自动对焦的动态z扫描工作原理图示

最新发表在《光：科学与应用》杂志上的一篇论文中，由美国普林斯顿大学机械与航空航天工程系克雷格·B·阿诺德教授领导的一个研究小组开发了一种快速方法，可以同时跟踪表面的特定位置并调整光学系统的焦距。他们采用了轴向变焦光学元件，特别是TAG透镜，其工作频率为0.1-1 MHz，绕过了光束传播方向上机械运动的延迟。

该团队创新性地使用动态z扫描同时进行检测和移动，而无需任何机械轴向移动。表面检测、焦点检索和制造激光脉冲发射之间的时间理论上在z扫描的两个周期内，或几微秒内，明显快于任何基于机械的重新聚焦系统与次级表面位置传感元件的组合。

该团队解释了他们的自动聚焦方法的操作原理，“我们将一个变焦透镜集成到一个由探测光束和制造光束组成的双激光束装置中。探测光束沿z轴连续扫描，其反射的时间响应与表面位置有关。同时，我们通过在适当的时间触发制造激光，将制造光束引导到所需的位置。这种方法在处理非平面或变化样品时，可以减少散焦的激光脉冲，提高处理速度。”

研究人员还强调：“这种技术通过实验室制造的实时检测和聚焦系统进行自动聚焦的潜力，该系统旨在即时跟踪表面形貌，而无需在z方向上进行任何机械运动。”

上图显示了通过粘附三片硅片制成的两步表面的实时自动对焦激光打标过程中的表面位置。这三个表面分别用A、B和C标记。下图显示了两步曲面的3D显微镜，其中中心的线显示了阶梯曲面上的均匀激光打标。与传统的定焦加工相比，动态Z扫描自动对焦方法减少了散焦激光脉冲，提高了加工非平面或变化表面时的加工速度。

“这种新的轴向聚焦对准解决方案为高速非平面和可变表面的材料加工开辟了新的可能性。我们相信，从光学元件的机械运动到光束动态成形的转变，将不断激发光学计量和3D激光制造领域更多令人兴奋的应用。”

审核编辑：汤梓红