通常情况下激光源发出的是高斯或超高斯光束，经扩束镜扩束和场镜聚焦后，焦点位于场镜焦距附近。高功率脉冲激光在工业、医学、国防和科学研究中已经得到了广泛的应用, 特别是在激光雕刻、切割、焊接等应用场景中, 激光焦点位置要先被精确测定，才能精准控制待加工面的离焦量以达到最优加工效果^[1-5]。基于CCD的光束分析法可以沿光束传播方向多处测量光斑特性，进而分析出焦点位置^[6]，但是CCD强光下会发生白饱和失效甚至黑饱和损伤^[7-8]，而在强激光光路上增加衰减片会带来较大测量误差。刀口法^[9]虽然相比CCD法耐受更高光强，但是由于高功率激光器的出光阈值很大，刀口金属和光功率计容易被激光烧蚀，在测量过程中刀口和光功率计收光面各自需主动避开焦点前后一个瑞利长度的距离，因此对于强激光而言该方法精度较低。

目前工程上强激光定焦主要使用灼烧法，可细分为两类：一类俗称斜拉法，让强激光在匀速倾斜移动的有机板材上烧蚀出一系列的烧蚀斑并根据斑块形状、颜色等特征粗略判断出激光焦点所在位置，或者在金属板材上斜拉烧蚀，然后用共聚焦显微镜等昂贵仪器测量坑深从而判断激光焦点所在位置；另一类俗称白光观察法，用激光烧蚀金属板材，直接用肉眼观察烧蚀过程中发出的耀眼白光，寻找白光亮度最强位置，其精度取决于操作者的经验，而且对于操作者眼睛伤害很大。

因此，本文在传统灼烧法的基础上加以改进，提出采用日盲的宽禁带半导体光电传感器来接收等离子体发光中的紫外辐射分量，根据器件光电响应强度判定激光束焦点位置。为了验证该方法的可行性，本文将设计一个针对强激光束适用的自动寻焦系统，并在此基础上研究激光烧灼三种常见金属产生等离子体紫外辐射的差异性以提高测量精度。

1.   系统设计

金属靶材被强激光照射时，会因局部高温产生等离子体发光。等离子体温度越高，则辐射谱中紫外光能占比越高。用第三代宽禁带半导体制作的光电传感器，可以实现日盲效果。与第一代Si、第二代GaAs, InGaAs光电传感器相比，日盲的传感器只对高温阶段的紫外辐射响应，无长拖尾且不容易出现响应饱和现象，更适合于强激光定焦需求。鉴于GaN比SiC载流子寿命短而关断响应速度快，因此本文选用了GaN肖特基结光电二极管做为光电传感器。

本文提出的强激光自动寻焦系统，是由紫外光电传感器及其可调支架、金属靶材、电动旋转台、光栅尺位移传感器和控制电路组成。其机械结构如图 1所示，模块之间控制关系如图 2所示。实际激光加工中所必须的载物台运动系统，在本文实验中由图 1所示电动升降台实现其功能。激光聚焦场镜与载物台之间相对运动精度，由图 1所示光栅尺位移传感器反馈控制。为了保证最终定位精度，金属靶材应该材质均匀、双面平整且每次激光束对金属靶材的烧蚀位置不应重复。光电传感器安装在靶材斜上方，为了使靶材被充分利用，光电传感器支架被设计为在xy平面是可移动的，其悬臂结构如图 3(a)所示，因此烧蚀痕迹可呈现如图 3(b)所示的同心圆密排形式。

图  1  自动寻焦系统的结构示意图

Figure  1.  Structure schematic diagram of laser-focus automatic positioning system

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图  2  自动寻焦系统的模块图

Figure  2.  Module diagram of focus automatic positioning system

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图  3  光电二极管的可移动悬臂支架结构

Figure  3.  Removable cantilever support structure of photodiode

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信号采集和放大的电路原理如图 4所示。紫外辐射强度信号经GaN肖特基光电二极管GUVA-S12SD，由光生伏特效应而转化成电压信号，再经过两个LMV358运放构成的跨阻放大器被放大，最后经模数转换输入ARM处理器进行滤波平滑、存储等数据处理。

图  4  紫外辐射信号的采集和放大电路原理图

Figure  4.  Circuit schematic diagram of ultraviolet-radiation signal acquisition and amplification

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2.   实验

制作样机如图 5所示。电动升降台的重复定位精度为10 μm，分辨率为0.25 μm，设置每次运动步长为100 μm。光栅尺用于监控电动升降台实际运动距离，用于解决升降台步进电机丢步问题，其测量精度为5 μm。电动旋转台分辨率为1.8″。金属靶材的直径为10 cm，厚度为3 mm。待测激光束来自激光打标机GSS-FIB-20，其激光源为声光调Q脉冲光纤激光器，波长为1064 nm，脉冲宽度(FWHM)为100 ns，最大平均光功率为20 W，平均功率起伏为5%。该激光器的光束质量为1.3，激光通过打标扩束镜、二维振镜和场镜之后光束质量小于2。

图  5  自动寻焦装置的实物照片

Figure  5.  Photo of focus automatic positioning device

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设置激光脉冲工作重复频率为20 kHz、平均功率为10 W，在电动旋转台上水平放置金属靶材，根据场镜焦距值(160 mm)粗调电动升降台，使靶材上表面到达激光束焦点上方约2 mm处。为了优选靶材，实验对比了304不锈钢、纯铝、纯铜三种常规金属。在金属尺寸、激光能量、离焦量等实验条件完全相同的情况下，烧蚀三种金属靶材引发的光电响应脉冲有明显差异，典型波形如图 6所示。

图  6  不锈钢、铝和铜靶材的1064 nm激光烧蚀辐射强度对比

Figure  6.  Comparison of stainless steel, aluminum and copper targets in ablative radiation intensity with 1064-nm-wavelength laser

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由图 6知, 304不锈钢靶的辐射强度相对最大，因此后续实验全都基于304不锈钢靶材进行。具体寻焦操作过程为：第一步，每隔3 s，微控制器控制电动旋转台转动角度10°，并发给激光雕刻机一个触发信号，控制激光雕刻机发射一组激光脉冲序列烧蚀金属靶材，产生灼痕迹形如图 3(b)所示的短线，并产生一个等离子体辐射脉冲，其紫外分量经GaN光电传感器采集、放大并模数转换；第二步，在ARM微控制器中基于滑动平均滤波算法对上述脉冲信号进行平滑处理，而且为了消除背景噪声和温漂误差，用该峰值减去背景噪声平均值，二者之差作为本步骤测量结果进行保存；第三步，控制电动升降台向下移动一个步长，同时光栅尺位移传感器将实际升降位置信息反馈至微控制器，重复以上步骤直至第二步所得测量结果近似为零。最终如图 7虚线所示，实验测得12个数据点并用三次样条法拟合(简称为定焦曲线)，得到曲线顶点的横坐标为666 μm，视作焦点在z轴上的坐标。

图  7  基于两种方法所得定焦位置的对比

Figure  7.  Comparison of laser focus positions based on two measurement methods

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3.   结果与分析

为了证明本文提出的寻焦方法的有效性，用OLS4100共聚焦显微镜检测各条烧蚀痕迹的深度。烧蚀痕迹在显微镜下的典型形貌及其深度测量方式，如图 8所示。鉴于每条烧蚀痕是由一系列的激光烧蚀坑叠加组成，所以在每条烧蚀痕内取5个烧蚀坑深求平均值，最终得到如图 7实线所示的烧蚀深度拟合曲线，其中曲线顶点横坐标为690 μm。对比图 7两条曲线顶点坐标之差可知，用这两种方法所测得的焦点位置彼此相差24 μm。

图  8  用共聚焦显微镜测量激光烧蚀深度

Figure  8.  Laser ablation depth measurement using a confocal microscopy

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由图 9(a)知，GUVA-S12SD光电传感器对300~370 nm波长的紫外光具有较高的响应度，对可见光几乎无响应。由图 9(b)知，该传感器在紫外光强小于20 mW/cm²范围内响应的线性度很好，这意味着对于超强激光，合理增大传感器与烧蚀发光点之间的距离(使传感器工作在线性区内)，能够优化系统的定焦灵敏度。

图  9  GUVA-S12SD光电二极管光电响应特性曲线

Figure  9.  Photoelectric response characteristic curve of GUVA-S12SD photodiode

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实验证明, 当激光焦点位于靶材表面时，在4~16 W范围内改变激光器的光功率，系统输出电压信号的峰值如图 10所示，与激光平均功率近似为线性关系，这表明光电传感器灵敏度与靶材被烧蚀强度之间的关系近似为线性关系。通过改变激光平均功率的实验结果发现，功率越高则定焦分辨率越高，且定焦曲线的形状越趋于一致。分别用平均功率为4，8，12和16 W的激光进行测试，所得定焦曲线如图 11所示。由图 11和图 7可以看出，强光条件下定焦曲线的形状相似度远高于弱光条件下的定焦曲线，这说明该寻焦方法更适用于测量平均功率大于或等于10 W的强激光。

图  10  激光平均功率与输出电压峰值的关系

Figure  10.  Relationship of laser average power and output voltage peak

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图  11  不同激光平均功率下的定焦曲线

Figure  11.  Positioning curves under different laser average powers

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观察图 7和图 11的焦点位置左右两侧，每条曲线均有左低右高的趋势。导致这种左低右高现象的原因之一是光电传感器的结温受等离子体红外辐射影响，导致器件漏电流增大，从而抬高了光电流脉冲峰值。增大光电传感器与等离子发光点之间的距离可以有效减小红外加热效应，但是会导致定焦灵敏度降低，工程应用中有必要对该距离进行优化。此外，增加热沉及其风冷或水冷装置能有效降低结温。导致本实验曲线左低右高的另一个原因是激光烧蚀热量累积导致靶材温度随时间增高，从而抬高了等离子体的辐射强度。本实验所用304不锈钢靶材的热导率较小，300 K时仅为15 W/mK，因此靶材温升效应非常明显。解决方案之一是增大前后两次烧蚀痕之间的距离，使得后一次烧蚀位置尽可能远离前一次烧蚀温升作用范围；解决方案之二是增加每轮烧蚀之间的等待时间；解决方案之三是在不锈钢靶材下方增加风冷或水冷装置。

304不锈钢板对1064 nm激光的吸收率为42%，比铝板(吸收率20%)、铜板(吸收率4%)高^[10]，它们的热导率分别是15，237，401 (W·mK^-1)，再结合三种材料的发射光谱^[11-12]综合分析，推测不锈钢等离子体在紫外波段辐射强度最大。图 6所示的三种材质对比实验结果证实了这一推断。因为不锈钢靶的定焦灵敏度最高。又因为不锈钢相比于铜和铝而言更耐存放、价格便宜，所以今后应优选钢靶作为该自动寻焦装置的耗材。激光烧蚀过程的不稳定性会影响定焦精度，靶材不均匀会导致烧蚀辐射不稳定。为了提高定焦精度，不锈钢靶材应该碳元素分布均匀、无应力、表面平整。此外，激光脉冲幅值波动也会导致烧蚀辐射不稳定，因此如果激光器自身的平均光功率起伏较大，则需相应增加每道烧蚀痕中的烧蚀点数。

4.   结论

本文设计了基于等离子体紫外辐射寻找强激光束焦点的自动化测量方法及其装置，其工作原理是基于金属靶材被强激光照射时会因高温烧蚀激发等离子体，等离子体复合形成发射光谱，其中含有大量的紫外谱线，谱线强度与等离子体温度正相关。通过与共聚焦显微镜检测烧蚀痕深度实验结果相对照，证明了基于本方法定焦红外高重频强激光脉冲是可行的。因此该装置广泛适用于红外激光雕刻机、切割机、焊接机的自动寻焦或精准控制离焦量，有助于提高激光加工质量和效率。