超快级联扫描系统的同步控制架构及其在激光材料加工中的应用

本研究针对多级联扫描系统（AODs+Galvo+线性平台）在激光加工中难以实现高精度同步控制的难题，提出了一种兆赫兹级更新率的协同控制架构。通过三阶段混合系统验证，实现了3.2 MHz二维激光定位，为增材制造（LPBF）中的熔池调控和微加工振荡校正提供了创新解决方案。

　　

在激光材料加工领域，多级联扫描系统的协同控制一直是制约加工精度和效率提升的瓶颈。传统单一扫描设备如声光偏转器（AODs）或振镜扫描系统（Galvo）各自存在局限：AODs虽能实现兆赫兹级偏转但扫描范围有限，Galvo扫描范围大却响应速度不足。特别是在激光粉末床熔融（LPBF）等精密加工场景中，需要同时满足大范围扫描、熔池动态调控（如非对称强度分布定向）和并行多熔池处理等复杂需求，现有技术难以兼顾。

德国Digital Photonic Production研究团队通过创新性地组合AODs、Galvo扫描头和线性平台，开发出三阶段级联控制系统。该系统采用硬件同步触发和运动预测算法，实现了扫描组件在3.2 MHz更新率下的精准协同。关键技术包括：1）基于FPGA的兆赫兹级信号同步架构；2）AODs-Galvo-线性平台的三级运动耦合模型；3）可编程扫描策略（如wobble振荡模式）的实时适配。测试样本来自工业合作伙伴Busch Microsystems GmbH提供的定制化加工平台。

控制方案
通过FPGA硬件实现各执行器（AODs¹、Galvo X/Y²、XY平台³）的同步触发，采用中继光学系统消除光束畸变。运动预测算法将用户定义的扫描路径分解为三级执行器的复合指令，解决不同响应速度设备的协同问题。

系统验证
wobble策略验证显示，AODs可在Galvo扫描轨迹上叠加10 kHz正弦振荡，振幅动态可调。该功能成功应用于LPBF熔池扩展，通过准光束整形效应稳定熔池。微钻孔测试中，AODs快速补偿XY平台运动误差，将定位精度提升至亚微米级。

结论与展望
该研究首次实现AODs在级联系统中的全同步控制，为LPBF中的熔池定向调控和微加工误差补偿提供了新范式。未来可拓展至多光束并行加工系统，Scanlab GmbH团队正在开发基于该架构的商用化解决方案。论文发表于《Optics》期刊，为高动态激光加工系统设计树立了新基准。