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來自普林斯頓大學(xué)、香港城市大學(xué)和卡塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種用于激光加工的高速焦點(diǎn)掃描方法，可顯著縮短加工時間。他們的創(chuàng)新單透鏡方法使用高速軸向掃描來檢測表面并同時調(diào)整激光焦點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于與輔助表面位置傳感元件相結(jié)合的機(jī)械式重新對焦系統(tǒng)。

該成果以“Single-lens dynamic z-scanning for simultaneous in-situ position detection and laser processing focus control”為題發(fā)表在Light: Science & Applications， 第一，二作者為香港城市大學(xué)系統(tǒng)工程系杜肖晗教授和卡塞爾大學(xué)材料工程學(xué)院Camilo Florian教授。通訊作者為普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空工程系Craig B. Arnold教授。該工作得到普林斯頓大學(xué)Eric and Wendy Schmidt Fund和歐盟瑪麗居里學(xué)者計(jì)劃的資助。

在激光制造過程中，將非平面或不斷變化的表面對準(zhǔn)激光焦點(diǎn)通常涉及重復(fù)而繁瑣的檢測流程和對焦步驟。這往往會導(dǎo)致定位錯誤和加工材料時間的延長。為了解決這些問題，激光處理中的自動對焦技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。然而，大多數(shù)自動對焦技術(shù)仍然需要 Z 軸電動平臺的機(jī)械運(yùn)動。這種在 Z 軸上的機(jī)械運(yùn)動比在XY平面內(nèi)運(yùn)動的速度慢得多，從而減慢了表面檢測和重新對準(zhǔn)的過程。此外，它還需要反饋、控制和傳感方法來確定光學(xué)焦點(diǎn)位置，大大降低了處理非平面樣品時的速度和效率。

近日，普林斯頓大學(xué)、香港城市大學(xué)和卡塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種在激光加工中可以更快操縱焦點(diǎn)的方法，可同時跟蹤表面的特定位置并調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)。他們利用一種可調(diào)聲光變焦（TAG）透鏡實(shí)現(xiàn)軸向可變焦的光學(xué)整形。這種透鏡的工作頻率為 0.1-1 MHz，從而避免了 Z 方向機(jī)械運(yùn)動的延遲。研究小組創(chuàng)新性地利用動態(tài) Z 軸掃描技術(shù)，在沒有任何機(jī)械軸向運(yùn)動的情況下同時進(jìn)行原位表面檢測和焦點(diǎn)移動。理論上，表面檢測、焦點(diǎn)檢索和發(fā)射制造激光脈沖之間的時間不超過兩個Z軸掃描周期（幾微秒），遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于任何與輔助表面位置傳感元件相結(jié)合的機(jī)械式重新對焦系統(tǒng)。

這種軸向?qū)沟男路椒ǖ墓ぷ髟硎菍蝹€變焦鏡頭增加到雙激光的光路設(shè)計(jì)中，其中雙激光由探測光束和制造光束組成。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)。在每個掃描周期中，待處理表面與探測光束焦點(diǎn)之間的兩次對準(zhǔn)分別對應(yīng)于反射光信號檢測到的兩個峰。雙峰之間的時間間隔與待處理表面位置之間可以建立一對一的對應(yīng)關(guān)系。與此同時，通過在變焦鏡頭的某一匹配相位上觸發(fā)制造激光，可使原位探測出的表面位置等于在此匹配相位上的同步觸發(fā)的聚焦位置，從而實(shí)時并準(zhǔn)確地將制造光束引導(dǎo)到所需的位置。與傳統(tǒng)定焦加工的方式相比，這種方法減少了激光離焦的情況，大幅提升了處理非平面樣品時的處理速度。

該技術(shù)在實(shí)時檢測和自動對焦方面的也極具潛力。研究人員利用實(shí)驗(yàn)室自制的實(shí)時檢測和對焦系統(tǒng)進(jìn)行自動對焦，該系統(tǒng)可瞬時跟蹤表面形貌，而無需在 Z 方向上進(jìn)行任何機(jī)械運(yùn)動。

圖1. 實(shí)現(xiàn)同時原位檢測和焦點(diǎn)控制的動態(tài)Z軸掃描的工作原理如圖所示。動態(tài)光束整形是通過雙光路設(shè)置（綠色為探測光束，紅色為制造光束）中工作頻率為 140-380kHz 的單個聲光透鏡實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)掃描時，第一束激光用于跟蹤表面的精確位置。第二束激光與聲光透鏡同步，以便在表面上獲得所需的焦點(diǎn)位置。

圖2. 實(shí)現(xiàn)激光打標(biāo)中的實(shí)時自動聚焦的示例。樣品為由三塊硅片構(gòu)成的兩階梯表面。上圖顯示的是實(shí)時原位探測出的表面位置。下圖是兩階梯表面的三維顯微鏡圖，中間的線條（紅色箭頭處）表示激光在不平表面的均勻打標(biāo)。與傳統(tǒng)的定聚焦加工方式相比，基于動態(tài) Z 軸掃描的自動聚焦方法減少了激光的離焦，提高了加工非平面或變化表面時的速度和效率。

這種新穎的軸向?qū)狗桨笧榉瞧矫娴牟牧霞庸ぬ峁┝诵碌目赡苄浴Ｑ芯咳藛T相信，這種從光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動到高速動態(tài)光束整形的轉(zhuǎn)變，將在光學(xué)探測和三維激光制造領(lǐng)域衍生出更多激動人心的應(yīng)用。

論文信息

Du, X., Florian, C. & Arnold, C.B. Single-lens dynamic z-scanning for simultaneous in situ position detection and laser processing focus control. Light Sci Appl 12, 274 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01303-2