Light | 動態 Z 軸掃描實現高速自動對焦

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

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

在激光制造過程中，將非平面或不斷變化的表面對準激光焦點通常涉及重復而繁瑣的檢測流程和對焦步驟。這往往會導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應運而生。然而，大多數自動對焦技術仍然需要 Z 軸電動平臺的機械運動。這種在 Z 軸上的機械運動比在XY平面內運動的速度慢得多，從而減慢了表面檢測和重新對準的過程。此外，它還需要反饋、控制和傳感方法來確定光學焦點位置，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、香港城市大學和卡塞爾大學的研究人員開發了一種在激光加工中可以更快操縱焦點的方法，可同時跟蹤表面的特定位置并調整光學系統的焦點。他們利用一種可調聲光變焦（TAG）透鏡實現軸向可變焦的光學整形。這種透鏡的工作頻率為 0.1-1 MHz，從而避免了 Z 方向機械運動的延遲。研究小組創新性地利用動態 Z 軸掃描技術，在沒有任何機械軸向運動的情況下同時進行原位表面檢測和焦點移動。理論上，表面檢測、焦點檢索和發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），遠遠快于任何與輔助表面位置傳感元件相結合的機械式重新對焦系統。

這種軸向對焦的新方法的工作原理是將單個變焦鏡頭增加到雙激光的光路設計中，其中雙激光由探測光束和制造光束組成。探測光束沿 Z 軸連續掃描，其反射的時間響應與表面位置有關。在每個掃描周期中，待處理表面與探測光束焦點之間的兩次對準分別對應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關系。與此同時，通過在變焦鏡頭的某一匹配相位上觸發制造激光，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的聚焦位置，從而實時并準確地將制造光束引導到所需的位置。與傳統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。

該技術在實時檢測和自動對焦方面的也極具潛力。研究人員利用實驗室自制的實時檢測和對焦系統進行自動對焦，該系統可瞬時跟蹤表面形貌，而無需在 Z 方向上進行任何機械運動。

圖1. 實現同時原位檢測和焦點控制的動態Z軸掃描的工作原理如圖所示。動態光束整形是通過雙光路設置（綠色為探測光束，紅色為制造光束）中工作頻率為 140-380kHz 的單個聲光透鏡實現的。系統掃描時，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位置。

圖2. 實現激光打標中的實時自動聚焦的示例。樣品為由三塊硅片構成的兩階梯表面。上圖顯示的是實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。與傳統的定聚焦加工方式相比，基于動態 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。

這種新穎的軸向對焦方案為非平面的材料加工提供了新的可能性。研究人員相信，這種從光學元件的機械運動到高速動態光束整形的轉變，將在光學探測和三維激光制造領域衍生出更多激動人心的應用。

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