CN105189021A - 用于三维打印的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种打印系统，其基于高功率高亮度的可见激光源，用于改进分辨率和打印速度。基于高功率可见激光二极管的可见激光设备可使用受激拉曼散射过程而成比例放大，以形成高功率高亮度可见激光源。

Description

用于三维打印的设备、系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年4月29日提交的美国临时专利申请序列No.61/817311的优先权，通过引证将该专利申请整体结合于本文中。
背景技术
三维(3D)打印为从数字模块制造三维固体物件的制造工艺。3D打印通常使用加成工艺(additiveprocess)来实现，其中材料的连续层被放下而形成不同的形状。3D打印与传统机加工技术不同，传统机加工技术可能依赖于通过诸如切割或钻孔的方法(消去工艺(subtractiveprocess))来移除材料。
当前可利用各种加成工艺。它们的不同之处在于使多个层沉积以形成部件的方式以及在于可使用的材料。一些方法使材料熔化或软化以制造层，例如选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)，而其他方法使用不同的尖端技术(例如立体平版印刷(SLA))使液体材料固化。使用分层实体制造(LOM)，薄层被切割成形并连接在一起(例如纸、聚合物、金属)。
尽管这样的方法提供3D物件的成型，然而存在与这样的方法相关的限制性。这样的方法通常使用的激光具有的波长为电磁频谱的红外(IR)部件，例如大于1微米的波长。这使得难以在亚微米分辨率下形成物件。另外，典型3D打印系统是慢的并且不能够生成具有低表面粗糙度的物件，这使得这样的3D打印的物件不适用于多种终端用途。
发明内容
本文认识到了对于改进的三维(本文也称为“3D”和“3-D”)打印系统和方法的需要。特别地，存在解决慢的制造速度、低的特征分辨率和部件的高表面粗糙度的需求，这些问题如可能存在于使用红外(IR)激光器逐层制造元件的情况。通过提供本文教导的制造、设备和工艺，本发明解决这些和其他需求。
本公开提供用于制造部件或元件的方法、设备和系统，通过使用可见激光系统将材料的层熔融从而以高的分辨率实现高容量构建速率。本公开的设备和系统采取使用用于三维打印应用的可见激光器。本文提供的设备和系统可同时或大致同时实现在制造中使用基于激光器的3D打印机所需的分辨率和构建速率。
本公开提供一种三维打印系统，其使用可见激光源来形成用于给定最终聚焦光学件的相当小的点尺寸。
3-D激光烧结系统或3-D激光打印系统使用一对扫描仪，用于扫描入射在最终聚焦透镜上的角度，以形成激光束在物镜的焦平面中的平移，所述扫描仪可为机械步进设备、电流计(galvanometer)或类似机构。透镜可为f-θ透镜或类似多元透镜设计，其可在打印平面上形成连续的激光点尺寸。打印平面上的点尺寸可由准直激光束的直径、物镜的焦距以及激光源的波长确定。因此，激光源的波长是系统中的重要参数，因为其最终限定最小点尺寸以及可扫描的容量。
打印平面可为粉末金属的床、可固化的光聚合物、或者通过施加热而可流动或固化的聚合物。可通过辊或刀片类型的系统或者通过使用粉末输送喷嘴的直接沉积而预布置粉末的层，所述粉末输送喷嘴与激光光束同轴但却围绕光束的外围输送。
存在在可见范围内操作的用于生成高功率高亮度激光源的至少两种方法：1)红外激光源在非线性晶体中的倍频，该非线性晶体诸如为磷酸钛氧钾(KTP)或周期性极化铌酸锂(LiNbO3)，或者2)激光源的上转化操作，其中多个红外电子由稀土离子(诸如铒(Er)或铥(Tm))吸收，从而导致高能态被填入并且导致可见波长(诸如对铒而言是绿色且对于铥而言是蓝色)下的振荡。由于用在倍频工艺中的KTP或铌酸锂晶体的低损伤阈值，红外激光器的倍频可能难以成比例放大至高功率水平。因此，基于激光的倍频技术对单模输出而言可能限于少于200瓦特。第二种技术，光纤激光器中的上转化有可能在输出功率方面受限，这是由于光纤因存在于掺杂光纤中的高能光子而具有遭受色心的倾向。另外，在这些上转化层中存在可被填入和可产生UV光子的更高位态，这可导致甚至更多更快的色心的形成，这些色心为由电子的高能量而在光纤中形成的宽带吸收中心，导致在光纤中的损耗超过由于上转化工艺而产生的潜在增益并且抑制激光器的操作。
本公开提供用于生成高功率高亮度可见激光辐射的设备、系统和方法。这样的设备和系统可包括多个模块，每个模块均配置成执行给定功能。在一些实施例中，用于生成可见激光辐射的设备包括可见激光二极管的阵列、光束形成系统、和使用受激拉曼散射(SRS)的光束转化器，以将单个激光二极管的输出组合成单模输出。可见激光二极管的输出可聚集成直径足够小的光纤，以从SRS过程产生增益，以实现激光器在第一拉曼量级频移波长上的操作。
此外，提供一种可见二极管激光系统，包括其中每个激光二极管均安装在TO56壳体中的模块式板设计、准直光学件、用于使准直源的汇聚对称的光束圆化光学件、压缩细光束(beamlet)的阵列以消除单个激光源中每一个之间的死区的光束成形光学系统、以及用于使来自模块式板的每个光束交错的模块。如果激光二极管在一个轴上准直，则柱形透镜可用于对另一轴进行准直，以根据需要在最终聚焦光学件上形成的点而使得两个轴的发散相同或不相同。
来自激光二极管的每个板的激光束可竖直地交错，以在发射到最终光束聚焦光学件之前填充由于系统的机械性能而导致的死区。如本文使用的，除非另有明确说明，否则交错是指将来自不同源的光束布置成彼此邻近并且将当两个源竖直或水平对齐时光束从其显现的源交替，从而在发射到系统下游的(在一些情况下为最终)光学件之前消除光束之间的死区。在一些情形下，光束聚焦光学件可为最佳形式透镜、用于矫正球面像差的多元透镜、用于补偿任何色差的消色差透镜、或者具有低f-数(或焦比)的非球面，从而实现用于聚焦到光纤中的大采集孔径。如本文使用的，除非另有明确说明，否则非球面为带有有泽涅克多项式限定的非球面轮廓的透镜，以均衡通过透镜开孔的所有光线的路径长度而无论开孔中的位置如何。
另外，提供一种光纤，其带有用于从激光二极管阵列收集光学泵浦光的三包层、用于传播来自可见激光二极管的非相干泵浦辐射的低损耗(例如小于50分贝/千米(db/km)、小于40db/km、小于30db/km、小于20db/km、或小于10db/km)包层以及低损耗单模芯(例如小于50db/km、40db/km、30db/km、20db/km、或10db/km)。可见激光二极管辐射可限制在外包层中，但却随机地横过中央芯以通过SRS过程而在芯中产生增益。在用于可见激光二极管的足够强度下，该增益可超过光纤中的损耗，并且当与来自外部镜、嵌入式光栅或外部光栅的馈送结合时，可使得通过多轴或单轴模式操作而在单横模上振动。该技术可能在过去未曾实现，这是因为大多数光纤在可见频谱上通常具有高损耗(例如大于或等于大约50dB/km)。本公开的光纤可有利地最小化光纤中的瑞利散射，从而使得SRS增益能够超过光纤中的损耗。
另外，本公开提供过一种在目标材料上执行高功率激光操作以将材料熔融在一起从而使材料固化或使材料消融的方法，这可用于形成多层3D物件。材料可为多种材料中的任一种，所述多种材料诸如为金属材料、绝缘材料、半导体材料、聚合物材料、复合材料、或它们的组合。实例材料包括但不限于钢、钛、同、黄铜、金、以及这些材料的合金。
材料的吸收特性可随着波长减小而增大。因此，相比于IR激光器，当使用蓝色激光波长时，加工速度方面存在显著的增大(见下文表1)。
本公开的一方面提供一种用于形成三维物件的打印系统，包括：激光源，通过受激拉曼散射产生可见光的相干光束；基底，与激光源光学通信；以及扫描模块，位于激光源的下游。扫描模块可适于产生可见光的相干光束相对于基底的扫描运动，该扫描运动对应于三维物件的预定形状。打印系统可进一步包括计算机控制系统，操作地结合于激光源和扫描模块。计算机控制系统可编程为(i)以预定的方式控制扫描运动并且(ii)调制激光源的功率，以由基底形成物件。
本公开的另一方面提供一种用于形成三维物件的打印系统，包括：激光源，包括至少一个光纤，激光源以带有小于50分贝每千米(db/km)的瑞利损耗的方式在光纤中输出可见光的相干光束；基底(例如粉末)，与激光源光学通信；以及扫描模块，位于激光源的下游，其中扫描模块适于产生可见光的相干光束相对于基底的预定扫描运动。该预定扫描运动可对应于三维物件的预定形状。打印系统可进一步包括计算机控制系统，操作地结合于激光源和扫描模块。计算机控制系统可编程为(i)以预定的方式控制扫描运动并且(ii)调制激光源的功率，以从基底形成物件。
本公开的另一方面提供一种用于形成三维物件的方法，包括：提供激光源和位于激光源光学下游的扫描模块；以及使用激光源，通过受激拉曼散射产生可见光的相干光束。然后，将可见光的相干光束引导至与激光源光学通信的基底。然后在基板中或由基板产生一特征。该特征可对应于三维物件的预定形状的至少一部分。然后，使用扫描模块，产生可见光的相干光束相对于基底的扫描运动。该扫描运动可对应于三维物件的预定形状。然后沿着与可见光的相干光束大体平行的方向相对于激光源移动基底。
本公开的另一方面提供一种计算机可读介质(例如存储器)，其包括机器可执行代码，该机器可执行代码在由所述一个或多个计算机处理器执行时实施上文或本文其他地方所述的任何方法。
本公开的另一方面提供一种计算机系统，包括一个或多个计算机处理器和与其结合的存储器。存储器包括机器可执行代码，该机器可执行代码在由所述一个或多个计算机处理器执行时实施上文或本文其他地方所述的任何方法。
通过以下详细描述，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，其中仅仅示出和描述了本公开的示意性实施例。如应当认识到的，本公开能够包括其他和不同实施例，并且本公开的多个细节能够包括各个明显方面的修改，这些均不背离本公开。因此，附图和说明书应当认为性质上是示意性的而非限制性的。
通过引证结合
通过引证将本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请结合于本文中，结合的程度正如每个单个出版物、专利或专利申请被具体和单个地表明通过引证被结合一样。
附图说明
本发明的新颖特征特别地在所附权利要求中阐述。通过参照阐述示意性实施例的下文详细描述以及附图(本文也称为“图(figure)”和“图(FIG.)”)，将获得本发明的更好理解，在所述示意性实施例中使用了本发明的原理，附图中：
图1为使用可见激光源基于扫描仪和f-θ透镜的三维(本文也称为“3-D”和“3D”)打印系统的实施例的示意性视图；
图2为使用可见激光源采用线性平移工作台的3-D打印系统的实施例的示意性视图；
图3为可见激光源的实施例的示意性视图；
图4为使用包装在TO56封包中的多个激光二极管源的模块式激光板的实施例的视图；
图5为堆叠以形成二维激光源阵列的多个模块式激光板的实施例的视图；
图6A-图6B示意性示出了泵浦功率向单模输出的演化；以及
图7示意性示出了编程或配置成实施本公开的方法的计算机系统。
具体实施方式
尽管本文已示出和描述了本发明的各种实施例，然而对于本领域技术人员而言显然的是，这样的实施例仅仅以实例的方式提供。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可想到多种变形、改变和替代。应当理解的是，可采用对本文描述的本发明实施例的各种替换。
如本文使用的术语“可见光”通常是指具有的波长介于大约380纳米(nm)与760nm(400-790太赫兹)的电磁辐射(光)。可见光对人眼可见。可见激光具有的波长介于380nm与760nm之间。
如本文使用的术语“高功率激光能量”通常是指具有至少大约200瓦特(W)功率的激光束。
如本文使用的术语“实质性功率损耗”通常是指对于可见波长而言大于10dB/km(分贝/千米)的功率损耗。
如本文使用的术语“可见波长”通常是指具有的波长大于400nm而小于750nm的激光束。
如本文使用的术语“高亮度”通常是指以衍射极限性能或近衍射极限性能操作的单模激光。
如本文使用的术语“细光束”通常是指来自可在单个轴线或两个正交轴线上准直的单个激光二极管源的电磁辐射的光束。
如本文使用的术语“交错”通常是指将来自不同源的光束布置成彼此邻近并且当两个源竖直或水平对齐时光束从其显现的源交替，从而在将光束发射至系统下游(在一些情况下为最终)的光学件之前消除光束之间的死区(deadspace)。
如本文使用的术语“f-数”(也称为焦点比、f-比、f-光阑、和相关开孔)通常是指焦距与光学系统的透镜的入射光孔的距离的比。
如本文使用的术语“非球面”通常是指带有有泽涅克多项式限定的非球面轮廓的透镜，以均衡通过透镜开孔的所有光线的路径长度而无论开孔中的位置如何。泽涅克多项式为在单位圆盘上正交的多项式序列。
如本文使用的术语“构建容量”通常是指制造物件(诸如3D打印的物件)的容量，其可例如通过具有侧向限度“x”、横向限度“y”和竖直限度“z”的激光束扫描。竖直限度可由升降机限定，该升降机在每个层被处理之后沿着“z”方向平移打印的物件。
如本文使用的术语“单模”通常是指具有低M2值的激光系统的近衍射极限性能，其中M2值限定光束焦散线以及激光束接近衍射极限性能的程度。如本文使用的，除非另有说明，否则M2限定为衍射限定光束的次数并且可等于或大于大约1，或者大于或等于大约1.1却依然为单横模，或者大于或等于大约1.3却依然为单横模。
如本文使用的术语“受激拉曼散射”通常是指这样的过程，在该过程中，光子离开纤维分子散射至较低能量状态(斯托克斯位移)或较高能量状态(反斯托克斯位移)，以再次在光学介质中形成。在光子的激光束中，一些斯托克斯光子可能先前已通过自发拉曼散射而产生(并且可能保留在材料中)，或者一些斯托克斯光子(“信号光”)可能有意地与原始光(“泵浦光”)一起被注射。通常，当光子从原子或分子散射时，大多数光子弹性地散射(瑞利散射)，使得散射的光子具有与入射光子相同的能量(频率和波长)。散射光子中的一小部件(例如近似千万分之一)通过激励而散射，其中散射的光子具有的频率不同于且通常低于入射光子的频率。在气体中，拉曼散射可以其中由于从一种能量状态转变成另一种能量状态而使分子能量发生改变的方式发生。拉曼散射过程可自发发生；即，在随机的时间间隔中，多个到来的光子中的一个由材料散射。该过程可称为“自发拉曼散射”。在受激拉曼散射(本文也称为“SRS”)中，总的拉曼散射率可增加为超出自发拉曼散射的散射率：泵浦光子可更快地转化为额外的斯托克斯光子。已经存在的斯托克斯光子越多，则它们增加得越快越多。这可在存在泵浦光的情况下有效地增强斯托克斯光，泵浦光可在拉曼增强器和拉曼激光器中采用。
三维打印设备、系统和方法
本公开提供用于将定向能量应用于材料的层，从而在形成直接来自于计算机涉及的物件(或部件)时使材料熔融或消融。这可用于产生或打印三维物件，诸如以逐层的方式。本文提供的方法可完成将粉末材料结合成工作部件，或者将粘合剂熔融成必须之后处理的部件以完成该部件的结合。
本公开的设备、系统和方法可用于形成各种物件和部件，诸如用于消费者或工业用途的物件。这样的物件可以数字的方式设计在计算机系统上，并且使用本文公开的设备和系统制造。在一些实例中，本公开的设备、系统和方法可用于形成消费者部件(例如玩具)、电子部件、医疗设备、或工业或军事设施的部件。本公开的设备、系统和方法可具有各种应用，诸如消费者、教育、工业、医疗和军事应用。在工业设定下，本文提供的设备、系统和方法可用于材料的处理。
本公开的设备、系统和方法可采取使用可见激光器，从而以高精度且在比当前可得的其他系统少得多的时间尺度内生成物件。在一些情况下，这是基于以下事实的以外实现，即，受激拉曼散射(SRS)可用于在单模输出中生成可见激光的高相干光束。这样的激光器可操作为高分辨率激光投射器或超连续激光器。
图1为基于高功率可见激光系统的3-D激光打印系统。该系统包括单模可见激光源(1001)。可见激光源(1001)可包括一个或多个激光二极管。可见激光器(1001)的输出(1002)可指向沿正交方向扫描光束的一对扫描仪(1003)。扫描仪(1003)可为一对电流计，其在沿着X-Y栅格(raster)图样或矢量扫描图样的焦平面上扫描激光束。扫描仪(1003)可形成从正交的角偏离，这可产生激光点在焦平面上的平移。由扫描仪(1003)反射的激光发射(1004)可指向物镜(1005)，该物镜生成可指向基底(1007)(诸如粉末)的聚焦光束(1006)。在一些实例中，基底(1007)为粉末床中的粉末。这可使得基底(1007)在激光束的焦点处熔化或熔融。
扫描仪(1003)可用于使得激光发射(1004)在粉末(1007)上以这样的形式形成栅格，即，限定制造中的物件的三维物件的二维形状。这可以逐层的方式执行。在给定的层处，该层中物件的二维形状使用激光发射(1004)来限定。在每个连续层处的物件的二维形状可使用激光发射(1004)来限定，以生成物件的总体3-D形状。
激光发射(1004)的各个参数可选择为提供期望的物件形状。这样的参数包括但不限于曝光时间和激光功率。例如，基底(1007)暴露于激光发射(1004)的时间可基于基底(1007)的材料的熔化或熔融速率来选择。
基底(1007)可由基底保持件支撑或支撑在其上。基底保持件可包括竖直平移器(“Z-轴平移器”，如图1所示)(1008)，以在物件的逐层制造或生长过程中竖直地移动物件(即，平行于激光传播的总体方向)。竖直平移器可为电机，诸如步进电机。竖直平移器(或升降机)可在物件的制造过程中使基底以至少大约5纳米(nm)、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、1微米(μm)、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm的增量步进。
作为替换或者另外地，包括可见激光器(1001)、扫描仪(1003)和物镜(1005)的组件(例如TO56壳体)可相对于基底(1007)竖直移动。该组件可包括竖直平移器，该竖直平移器可在物件的制造过程中使组件以至少大约5纳米(nm)、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、1微米(μm)、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm的增量步进。
在图1中形成的激光点的直径可由物镜(1005)的焦距、物镜(1005)上的光束尺寸、以及激光束的波长确定。构建容量可受物镜的直径和物镜上光束的尺寸(包括由于扫描仪导致的平移)限制。基于IR的系统中的点尺寸为近似70微米(μm)，其中构建容量由于物镜上光束的有限尺寸而为9.6”×9.6”×11”(表2)。具有459nm波长的蓝色激光系统可有利地形成小于或等于大约35μm的点尺寸，在一些情况下具有与IR系统相同的光学系统。由于光学系统可为相同的，因此构建容量保持不变，但是分辨率和表面品质可提高大于1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2.3、4、5、6、7、8、9或10倍。如果基于蓝色激光系统的3-D打印机的最终聚焦透镜改变为形成70μm的点，则实现了与IR系统相同的分辨率，但是现在构建容量增大了150×倍。
可替换地参照图2，该实施例中的3-D打印机基于一对线性平移工作台而非扫描仪用于打印图样。该线性平移工作台改变控制点尺寸的基本几何形状以及写印(write)速度，并且开发了使用足够短焦距透镜的能力，使得点尺寸小于1000纳米(nm)、900nm、800nm、700nm、600nm、或500nm。该亚微米点尺寸可适用于微型机电(MEMS)设备的直接制造。使用平移工作台(2007)使得激光束(2002、2004和2006)可在基底(例如粉末)的表面上平移，以在基底中直接写印图样或者通过使用同轴喷嘴将基底直接注射到光束中来直接写印图样。部件的分辨率可为小直径的光束以及基底的尺寸的结果，基底诸如为用于直接写印部件的纳米级粉末(例如50nm)。
平移工作台(2007)可使得基底能够在X-Y平面上(与激光传播的总体方向正交)和/或沿着Z-轴平移，该Z-轴可平行于激光传播的总体方向。平移工作台(2007)可包括两个线性子工作台。平移工作台(2007)可为基底保持件的一部分，基底保持件可配置成在物件的制造过程中支撑基底。平移工作台可包括电机，诸如步进电机。平移工作台(2007)可包括能够使得工作台在制造过程中沿着Z-轴平移的竖直平移器(2008)。该竖直平移器(或升降机)可在物件的制造过程中使基底以至少大约5纳米(nm)、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、1微米(μm)、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm的增量步进。
作为替换或者另外地，包括可见激光器(2001)、x-y对齐系统(2003)和物镜(2005)可相对于基底竖直移动，该基底可位于工作台(2007)处。该组件可包括竖直平移器，该竖直平移器可在物件的制造过程中使组件以至少大约5纳米(nm)、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、1微米(μm)、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm的增量步进。
在一些实施例中，当光束中的功率被调制时，激光器(2001)和物镜(2002-2005)作为子系统在基底上平移，从而将部件限定为逐层的。激光器(2001)可为单模可见激光器。激光器(2001)可包括一个或多个可见激光二极管。例如，光束中的功率通过以下方式来调制：将激光功率打开或关闭，合作和以基于正在制造的部件(或物件)的形状确定的方式增加和减少激光功率。作为替换，激光器可为固定的，并且光学头利用激光束的高准直性质而在部件上平移。这样的浮动光学头技术可包括如当前在CO2平板床刀(flatsheetbedcutter)中使用的部件。参见例如Todd,RobertH.；Allen,DellK.；Alting,Leo(1994)的制造工艺参考指南(ManufacturingProcessesReferenceGuide)，工业出版社公司出版，ISBN0-9311-3049-0，通过引证将该出版物整体结合于本文中。
如今，可使用能够以比现今的光纤激光器快得多的速率调制的激光器来改进多个系统中的制造或生产速度。当写印物件(或部件)时，扫描速度和激光功率可确定对于给定材料而言光速移动的快慢程度。然而，随着激光束在基底(例如粉末床中的粉末)上移动时，当认为处于正在打印的层中的特定位置的部件中不应该存在任何结构时，可能需要关闭激光器。光束在基底表面扫描越快且特征尺寸越小，则激光束需要打开和关闭的速度越快。本申请中描述的激光器能够以大致高的调制速度被调制。该大致高的调制速度可改进正在制造的部件的表面特性(例如粗糙度)，并且实现非常高空间分辨率的部件的制造。
如今使用的红外(IR)激光器可能被限制于50kHz(1kHz＝每秒1000个周期)的调制速率。然而，本公开的基于可见光激光(例如蓝色激光)的设备和系统能够以大于或等于大约50kHz、100kHz、200kHz、300kHz、400kHz、500kHz、1GHz(1GHz＝1000kHz)、2GHz、3GHz、4GHz、5GHz、或10GHz的速率调制。为了使用这种类型的系统来实现生产率，可使用相同激光系统利用高速光束共用开关或者使用与运动系统同步的平行激光系统而并行处理多个设备。实例开关为多端口光束开关，诸如例如包括2个、3个、4个、5个或6个通道的多端口光束开关。
本公开的基于可见光激光的设备和系统可用于形成具有大致平滑表面的物件(或部件)。在一些情况下，使用本公开的设备和系统形成的物件(或部件)的表面粗糙度可介于0.1nm与50nm之间、或1nm与20nm之间、或1nm与10nm之间，如由透射电子显微镜(TEM)测量的。
本公开的基于可见光激光的设备和系统可用于形成具有大致高纵横比(例如长度除以宽度)的物件(或部件)。在一些情况下，使用本公开的设备和系统形成的物件(或部件)的特征的纵横比可为至少大约1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、或2:1、或5:1、或10:1、或20:1、50:1、100:1或更大。
本公开的设备和系统可采用按比例放大至高功率和高亮度的可见激光源。高功率激光源可具有大于大约100瓦特、或大于大约200瓦特、或大于大约300瓦特、或大于大约400瓦特、或大于大约500瓦特、或大于大约1000瓦特、或大于大约2000瓦特的功率。本公开的激光源可在单模下操作，其可包括来自于具有低M2值的激光系统的近衍射极限性能，其中M2值限定光束焦散线以及激光束接近衍射极限性能的程度。如本文使用的，除非另有明确说明，否则M2限定为衍射限定光束的次数并且可等于或大于大约1，或者大于或等于大约1.1却依然为单横模，或者大于或等于大约1.3却依然为单横模。
图3示出了根据本发明一些实施例的高功率单模可见激光源(3000)。激光器(3000)包括高功率高亮度可见激光二极管(3001)的阵列。通过光束组合和成形光学组件(3002)，来自二极管(3001)的可见激光可被准直并且成形为光束，以匹配拉曼转化器光纤或谐振器(3010)的数值孔径和点的要求，该拉曼转化器光纤或谐振器包括高反射率(HR)后镜(3003)、低损耗光纤(3004)和低反射率输出耦合器(3005)。拉曼转化器(3010)使用非线性方法(诸如受激拉曼散射(SRS))将来自布置成线性或二维阵列的多个可见激光二极管的功率转化成单相干激光束(3006)。
在实例中，后镜(3003)可为高反射率元件，而输出耦合器(3005)可为具有恰当介电涂层的裂解或抛光刻面(facet)。在另一实例中，后镜(3003)为高反射率元件，而输出耦合器(3005)为光栅(grating)。在另一实例中，后镜(3003)为高反射率元件，而输出耦合器(3005)为嵌入式光纤布拉格光栅(FBG)。在另一实例中，后镜(3003)为设计成对最低级TEMoo模式而言具有高反射率的嵌入式FBG，而输出耦合器(3005)为具有恰当介电涂层的裂解或抛光刻面。在另一实例中，后镜(3003)为设计成对最低级TEMoo模式而言具有高反射率的嵌入式FBG，而输出耦合器(3005)为光栅。在另一实例中，后镜(3003)为外部体积布拉格光栅(VBG)，而输出耦合器(3005)为具有恰当介电涂层的裂解或抛光刻面。在另一实例中，后镜(3003)为高反射率元件，而输出耦合器(3005)为低反射率的嵌入式FBG。在另一实例中，后镜(3003)为嵌入式FBG，而输出耦合器(3005)为低反射率镜。在另一实例中，后镜(3003)为VBG，而输出耦合器(3005)为具有恰当介电涂层的裂解或抛光刻面。在另一实例中，后镜(3003)为高反射率镜，而输出耦合器(3005)为低反射率VBG。
光纤(3010)可与光学组件(3002)光学通信。光纤(3010)可包括为单模或近单模的中央芯、直径比芯大用于捕获可见激光二极管阵列的输出的包层、以及将可见激光二极管阵列的光沿着光纤引导的外包层。中央芯可具有大于或等于大约3μm、大于或等于大约5μm、大于或等于大约15μm、或者大于或等于大约25μm的直径。第一包层区域可基于大于或等于大约50μm、大于或等于大约80μm、或者大于或等于大约100μm的直径。外包层区域可具有的直径比内包层的直径大大于或等于大约1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、3、4、5、或10倍。在一些实施例中，外包层具有大于或等于大约55μm、大于或等于大约90μm、大于或等于大约15μm、或者大于或等于大约110μm的直径。在一些情形下，为了提供强度和耐久度，外包层可具有大于或等于大约125μm的直径。
第一包层区域的直径可为可见激光器的操作上的重要参数，因为可见激光(例如蓝色激光)二极管的光的强度限定可通过SRS过程产生的增益(gain)。对于拉曼光纤而言，该增益可通过光纤的芯中的泵浦功率的量来确定。用于产生拉曼增益的功率可驻留在包层中恰好位于芯区域之外。由于包层的直径大于芯，激光的拉曼增益显著低于当所有的功率均限制在芯内时发生的增益。例如，200瓦特的可见拉曼激光要求来自激光二极管阵列的泵浦功率能够发射到内包层区域中，该内包层区域需要在60μm的量级上，以实现用于高效操作的足够增益。作为另一实例，2000瓦特的可见拉曼激光要求85-100μm的包层直径以实现高效操作，其由作为泵浦二极管发射到外包层中的激光二极管的能力驱动。
本公开的可见激光二极管可以能够大于来自窄条的大约1瓦特的输出功率，该窄条适于将多个激光二极管发射成具有的直径小于100μm的光纤。激光二极管亮度限定为输出功率、条宽和发散角的乘积。窄条宽度可大于或等于大约5μm、大于或等于大约10μm、大于或等于大约15μm，而在一些情况下不大于大约35μm。相对于激光二极管，快轴中的发散角可大于或等于大约20度、大于或等于大约40度、或大于或等于大约90度。慢轴中的发散角可大于或等于大约1度、可大于或等于大约10度、或可大于或等于大约20度。激光二极管具有介于大约18与25度半峰全宽(FWHM)之间的快轴发散，以及介于大约12与15度FWHM之间的慢轴发散。在实例中，激光二极管具有大约25度FWHM的快轴发散以及大约15度FWHM的慢轴发散，其为20MW/cm2-球面度的源亮度。源亮度限定能耦合到光纤中的设备的最大数量，亮度值越大，则能耦合的设备数越多。
光纤可为如上所述的三包层设计，由于中央单模芯和第一包层两者中的瑞利散射，使得可见波长范围内的损耗相当低。在一些情况下，根据光纤中的内在散射损耗，激光二极管在450nm下操作并且在超过介于451nm与461nm之间的超过10nm范围上产生增益。光纤在459nm下可具有小于10分贝/km(dB/km)，这比可能具有大于或等于50dB/km的损耗的纯硅芯光纤的损耗低得多。产生的拉曼增益可足以克服光纤中的瑞利散射，如果光纤中的损耗小于大约50dB/km、小于40dB/km、小于30dB/km、小于20dB/km、小于10dB/km、小于5dB/km、或小于1dB/km。光纤中的损耗越低，激光器的总效率越高。
激光二极管阵列可为基于组合和调节激光二极管的线性阵列的输出的板的模块式设计。图4示出了包括高功率可见激光二极管的线性阵列(4001)的激光板，其带有与每个激光二极管相关的准直光学件以提供准直源(4004)、以及光束成形光学系统(4003)、以及一组压缩光学元件(4004)(本文也称为“光束压缩器”)以消除一个轴中准直激光源之间的间隙。
在实例中，准直光学件为沿着一个轴的非球柱形透镜，而光束成形官学系统(4003)为另一个轴中的柱形透镜。在另一实例中，光束成形光学系统(4003)包括形成柱形望远镜的两个光学元件，以重新形成细光束的一个轴的尺寸。
在一些实例中，光束压缩器(4004)为转向镜或棱镜。在实例中，每个光束压缩器包括至少一个转向镜。转向镜可为以全内反射(TIR)模式操作的棱镜。在一些情况下，转向镜为高反射率介电涂覆的基底，诸如例如熔融硅基底上的介电涂层，其在459nm下可对非偏振光具有99％折射率，或者带有增强反射率涂层的金属镜，诸如例如带有的增强反射率实现在459nm下对非偏振光达到92％反射的镀铝镜。
在实例中，光束压缩器(4004)对每个板而言均包括带有交替的高反射体/防反射涂层的板，以反射来自每个板的光束或者使来自每个板的光束穿过。在另一实例中，光束压缩器(4004)对每个板而言均包括棱镜的堆，其定向成将来自每个激光板的光束引导成平行的而同时最小化来自每个激光板的光束之间的死区。在另一实例中，光束压缩器(4004)对每个板而言均包括这样的板，在该板中具有交替的高反射率/孔，以反射来自每个板的光束或者使来自每个板的光束穿过。
在一些实例中，光束成形光学系统(4003)包括一个或多个变形棱镜。在实例中，光束成形光学系统(4003)包括一对变形棱镜。
压缩的细光束可构成复合光束，其从交错光学件(4005)反射到最终聚焦光学件(4006)中，以将激光功率传输至泵浦光纤(4007)或直接传输至激光光纤(4007)。激光光纤(4007)可为三包层光纤，带有单模芯或近单模芯。激光腔可形成于外部镜、光栅或嵌入在中央芯中的光纤布拉格光栅(FBG)。在一些实施例中，激光谐振器是基于嵌入的FBG的，因为这些光栅具有频谱和模式选择性，这使得拉曼激光能够甚至在光线芯是多模式的情况下在单横模下操作。
中央芯可为熔融硅芯，其相比于锗掺杂的芯或磷掺杂的芯而言具有最低的拉曼增益系数。对于熔融硅和锗掺杂的芯而言拉曼频移(Ramanshift)是类似的并且在450nm下小于大约12nm，但是对于磷掺杂的芯而言该频移大得多，该频移在450nm下达到大约75nm。中央芯可为熔融硅芯，以最小化在光纤中产生色心的可能性。掺杂剂可添加至芯以进一步抑制光子暗化效果，可通过防止任何紫外(UV)成分在激光腔中形成来最小化该暗化。只要激光发射被限制于斯托克斯散射成分，则波长可比泵浦波长更长并且将不会产生UV辐射。斯托克斯波的增益可比反斯托克斯波大得多，使得较短波长将不大可能由反斯托克斯散射事件产生。
诸如具有羟基基团(OH)的材料的掺杂剂可添加至芯和第一光纤包层，以已知可见范围中的瑞利散射损耗。任何激光系统的基本要求是，系统中的增益可超过系统中的损耗。尽管受激拉曼散射可提供足够的增益以克服标准光纤中的50dB/km，然而可在与瑞利散射有关的损耗小于50dB/km、小于40dB/km、小于30dB/km、小于20dB/km、小于10dB/km、小于5dB/km、或者小于1dB/km时出现高效的激光操作。
通过堆叠图4中的激光板以形成激光二极管光束的二维阵列，可实现激光系统的功率输出的成比例放大。例如激光器可安装在单个冷却板上，该板可堆叠以形成激光二极管功率的二维源。该板可使用冷却流体(诸如水)冷却。在一些情况下，冷却可借助于风扇、散热片和/或采用冷却流体的热交换器来实现。
在一些情形下，激光板可以最小的间隔堆叠在由每个板产生的光束的每一个之间。激光板可堆叠成具有死区，该死区等同于由板发射的激光束的高度。
参照图5，激光系统示出为具有多个板。每个板具有精确接地位置，以建立每个板(5006)的平坦性和间隔。这些板可物理地保持在一起以形成板的堆。这些板可使用机械紧固构件(例如螺钉)或化学紧固构件(例如粘合剂)而物理地保持在一起。板的每个光束可精确地间隔开，以形成其他光束可交错(5002、5003)的间隙，从而最小化发射到透镜(4006)中的光束之间的死区。具有附带间隔(5001、5007)的激光机的两个阵列与来自交错在其他板的光束之间的每个光束板的光束一起使用。每个阵列可包括多个可见光激光二极管。激光板在设计上可为相同的但是沿着相反的方向安装，以实现整个系统中通用平台。光束组合方法(5004、5005)可为棱镜的堆或者板，其交替地传输和反射每个光束。板(5005)的传输部分可为孔或板的防反射涂覆区域，其中板为诸如熔融硅或金属的材料。板的反射区域(5004)可为介电涂层或加强金属镜。可替换地，诸如棱镜堆的组合方法可用于折射结构或全内反射(TIR)结构，从而交替地组合来自每个激光板的光束。
从板的二维阵列形成的光束可为高准直的并且可使用波长或偏振而进一步与板的其他二维阵列组合，以进一步增加泵浦亮度。参照图6A和图6B，5nm(6011、6012)或(6021、6022)的波长带宽内的多个源可用于在熔融硅光纤(6001、6002)中通过SRS过程而形成增益。对于多个源而言的波长泵浦频谱带宽可小于大约4nm、小于3nm、小于2nm或小于1nm。对于激光二极管而言的宽得多的频谱泵浦带宽可与磷掺杂光纤一起使用，这是由于该光纤具有更宽泛的增益轮廓。对于磷掺杂光纤的情况，对于多个激光源的频谱泵浦带宽可小于大约35nm、小于25nm、小于15nm、小于5nm或小于1nm。
控制系统
本公开的设备、系统和方法可使用计算机控制系统实施。图7示出了计算机系统701，其编程或配置成调节本公开的3D打印设备、系统和方法的操作。计算机系统701包括中央处理单元(CPU，本文也称为“处理器”和“计算机”处理器)705，其可为单核或多核处理器，或者用于并行处理的多个处理器。计算机系统701还包括存储器或存储器位置710(例如随机访问存储器、只读存储器、闪存存储器)，电子存储单元715(例如硬盘)，用于与一个或多个其他系统通信的通信接口720(例如网络适配器)，以及外围设备725(诸如高速缓冲存储器、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器)。存储器710、存储单元715、接口720和外围设备725通过通信总线(实线)(诸如母板)而与CPU705通信。存储单元715可为用于存储数据的数据存储单元(或数据元库(repository))。计算机系统701可借助于通信接口720而操作地连接至计算机网络(“网络”)730。网络730可为因特网、互联网和/或外联网、或者与因特网通信的内部网和/或外联网。网络730在一些情况下为电信和/或数据网络。网络730可包括一个或多个计算机服务器，这些服务器可实现分配的计算，诸如云计算。网络730(在一些情况下借助于计算机系统701)可实施对等网络，该网络可使得设备能够连接至计算机系统701以充当客户端或服务器。
CPU705可执行机器可读指令的序列，这些指令可体现为程序或软件。这些指令可存储在存储器位置中，诸如存储器710中。由CPU705执行的操作的实例可包括读取、解码、执行、和回写。
CPU705可为电路的一部分，诸如集成电路。系统701的一个或多个其他部件可包括在该电路中。在一些情况下，电路为应用特定型集成电路(ASIC)。
存储单元715可存储文件，诸如驱动、文库和保存的程序。存储单元715可存储用户数据，例如用户偏好和用户程序。计算机系统701在一些情况下可包括一个或多个额外的数据存储单元，这些存储单元位于计算机系统701外部，诸如位于通过内部网或因特网而与计算机系统701通信的远程服务器上。
计算机系统701可通过网络730与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统701可与用户的远程计算机系统通信。远程计算机系统的实例包括个人电脑(例如可携式PC)、板型或平板PC(例如Tab)、电话、智能电话(例如安卓使能设备、)、或者个人数字助理。用户可通过网络730访问计算机系统701。
计算机系统701可与3-D打印设备或系统735通信。计算机系统701可直接地(例如通过直接有线或无线连接性)或者通过网络730与3-D打印设备通信。3-D打印设备或系统735可为上文或本文其他地方描述的任何设备或系统，诸如例如图1的3-D打印激光系统。
上述方法可通过存储在计算机系统701的电子存储位置上的机器(例如计算机处理器)可执行代码来实施，所述代码诸如例如存储在存储器710上或电子存储单元715上。机器可执行或机器可读代码可提供为软件的形式。在使用中，该代码可由处理器705执行。在一些情况下，代码可从存储单元715取回并且存储在存储器710上准备用于由处理器705访问。在一些情形下，电子存储单元715可去除，并且机器可执行指令存储在存储器710上。
代码可预编码并且配置成用于由具有适于执行代码的处理器的机器来使用，或者可在运行时间内编码。代码可以程序语言来提供，该程序语言可选择为使得代码可以预编码或编码态(as-compiled)的方式执行。
本文提供的系统和方法(诸如计算机系统701)可体现在编程中。技术的各个方面可被认为通常为“产品”或“制造件”，其为机器(或处理器)可执行代码和/或承载在某种类型的机器可读介质上或者体现在某种类型的机器可读介质中的相关数据的形式。机器可执行代码可存储于电子存储单元，诸如存储器(例如只读存储器、随机访问存储器、闪存存储器)或硬盘。“存储”类型的介质可包括计算机、处理器或类似的有形存储器或者与其相关的模块中的任何或全部，诸如各种半导体存储器、磁带驱动、磁盘驱动和类似，它们可在任何时候对软件编程提供永久性存储。软件的全部或一部分可能有时通过因特网或各种其他电信网络通信。这样的通信例如可使得软件能够从一个计算机或处理器加载到另一个中，例如从管理服务器或主机计算机加载到应用服务器的计算机平台中。因此，承载软件元素的另一种类型的介质包括光波、电学和电磁波，诸如通过有线或光学陆线网络且通过各种空中链路而用在当地设备之间的物理接口上的。承载这种波的物理元件，诸如有线或无线链接、光学链接或类似还可被当作承载软件的媒介。如本文使用的，除非限制于永久性有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”的术语是指参与对处理器提供指令用于执行的任何介质。
因此，诸如计算机可执行代码的机器可读介质可采用多种形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如一个或多个计算机或类似中的任何存储设备，诸如可用于实施附图中示出的数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，诸如这种计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴缆线；铜线和光纤，包括计算机系统内具有总线的线。载波传输介质可采用电信号或电磁信号、或者声波或光波的形式，诸如在无线电频率(RF)和红外(IR)数据通信过程中产生的。计算机可读介质的通用形式因此包括例如：软盘，柔性盘，硬盘，磁带，任何其他磁性介质，CD-ROM、DVD或DVD-ROM，任何其他光学介质，打孔卡纸带，带有孔的图案的任何其他物理存储介质，RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASAH-EPROM，任何其他存储芯片或卡盒，传送数据或指令的载波，传送这种载波的缆线或链接，或者计算机可从其读取编程代码和/或数据的任何其他介质。这些计算机可读介质的形式中的多个可涉及将一个或多个指令的一个或多个序列承载至处理器用于执行。
实例
提供以下实例来示出可使用3-D打印系统中的高功率可见激光源执行的各种过程、配置和系统。这些实例仅用于示意的目的而非旨在限制本发明的范围。
参照图1，示意性示出了3-D打印系统，其包括用于通过使用激光烧结以逐层使粉末基底熔融而将实体模型直接转化成实体部件的计算机系统和软件。可见激光器(1001)在该实例中包括图4(4000)中的激光器和图4(4000)中画出的激光板，其中可见激光二极管(4001)为高功率高亮度激光二极管，其在大约450nm的波长下输出激光。非球面透镜(4002)用于使每个激光源准直，并且在制造过程中用于将激光板上的每个激光的输出光束对齐。激光器与垂直于激光板的慢轴对齐，以允许柱形望远镜(4003)与激光二极管的慢轴对齐，以使细光束在慢轴和快轴两者中的汇聚圆化。柱形望远镜(4003)元件在制造过程期间与拾取-放置机器(例如机器人)置于一起，该机器可为定制的或者由这种该机器的多个制造商中的一个提供。拾取-放置机器人能够布置光学件并且捏将其沿着6轴定向，以及施加UV固化粘合剂或热环氧树脂用于将光学件固定就位。在放置之后，在使用紫外(UV)可固化树脂而固定至板之后，系统可以不需要进一步的对齐。转向镜或棱镜(4004)在制造过程中也有拾取-放置机器放置就位，并且在使用紫外(UV)可固化树脂而固定至板之后可以不需要进一步的对齐。通过在制造过程中调节准直非球面的位置来对齐来自激光板的输出光束，以在对应于正平行和高度对齐的细光束的远场中形成单个点。在一些情形下，最终聚焦光学件为非球面的，以最小化激光点和最大化透镜的可用孔径。
激光板可堆叠以形成图5(5000)所示的二维光束，并且交错(5002)以形成单个光束。由两个交错阵列形成的单个光束然后可使用二向色滤光器或光栅而组合，其中两个不同组阵列的波长间隔2nm。在两组阵列在二向色滤光器中组合之后，可使用偏光器来组合以其偏振正交于第一组阵列的方式布置的相似一组阵列，从而使得4阵列与另一4阵列组合，以形成使用波长和偏振组合而在源亮度上具有8x增强的光束。该方法可具有与在Zediker等人的专利号5715270(“高效高功率直流二极管激光系统及其方法(Highefficiency,highpowerdirectdiodelasersystemsandmethodsthereof)”)中描述的方法类似的特征，通过引证讲过专利整体结合于本文中。可在形成复合光束(波长组合)之前或之后来执行偏振组合。该复合光束则发射到带有熔融硅芯的三包层光纤(4007，图4)的泵浦芯中。泵浦芯中的高强光束在整个SRS过程中在包层和芯两者中产生增益。然而，芯具有与其(3003和3005，图3)相关的激光腔，导致芯中的振荡。使用用于受激拉曼散射的等式的激光的完整模型用于将可见激光二极管泵浦的拉曼激光的行为模型化。用于受激拉曼散射的实例等式可参考M.Rini等人的“级联拉曼光纤激光器的数值模拟和优化”，IEEE量子电子学杂志，第36卷，第117-1122(2000)页，通过引证将该出版物整体结合于本文中。
该情况下泵浦功率演化成单模在图6A和图6B中示出。图6A示出了根据在460nm下振动的谐振光纤中的位置而在10μm芯中向前(6001)传播和向后(6002)传播单模功率。图6B示出了根据在谐振光纤中的位置而在85μm直径包层中向前传播(6011、6012)和向后传播(6021/6022)泵浦信号。向前传播泵浦包括450nm(6011)和452nm(6012)下的两个单独的波长。类似地，向后传播泵浦包括450nm(6021)和452nm(6022)下的两个单独的波长。将泵浦包层数值孔径设定为0.49的外包层直径为125μm。该实例下使用30％反射性输出耦合器(3005)的单横模输出功率大于2kW。
激光器输出可通过调制泵浦二极管而直接控制，或者激光器可配置成主控振荡器-功率放大器，并且该主控振荡器可在高速下调制。参照图1，激光束穿过一对x-y扫描仪(1003)，以使激光束在基底(1007)顶部上平移，该基底在该实例中为粉末床。x-y扫描仪可根据透镜的焦距而定位在聚焦物镜(1005)之前或之后。所形成的点(1006)的直径根据准直光束(1004)的直径和物镜(1005)的焦距而变。如果输入激光束具有44urad的发散，则可由158.4cm焦距透镜(62.4”)形成70μm的直径点。44urad的光束发散对459nm的波长而言对应于1.3cm的输入光束直径(1004)。该光束直径为22.6cm焦距透镜引起的，该焦距透镜将作为离开激光的10μm的模式直径的激光(1001)的单模输出准直。结果是可在基底(1007)的53”×53”平面上被扫描的系统。将这与大位移升降机(1008)组合允许53”×53”×55”的构建容量。
激光可在粉末床上扫描以限定部件。在每个层被扫描之后粉末床在部件之上滚压，并且升降机通过100nm递减，从而给定100nm的层分辨率。对于该特定实例，粉末的直径大于10nm、直径大于50nm但直径不大于100nm。粉末的直径可影响表面粗糙度和部件的构建速度。通过如图2所示在459nm下使用1kW激光器，部件的构建速度可大于或等大约每小时50立方厘米。这比IR激光器快过2.5x倍，且构建容量为150x倍，这代表相比现有技术的显著改进。
尽管本文已示出和描述的本发明优选实施例，然而对于本领域技术人员而言显然的是，这样的实施例仅仅以实例的方式提供。本发明并非旨在被本说明书中提供的具体实例限制。尽管已参照前述说明来描述本发明，然而本文实施例的说明和阐述不应当被解释为是限制性的。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可想到数值变化、改变和替换。此外，应当理解的是，本发明所有方面不限于本文阐述的具体描述、配置或相关部分，其根据各种情况和变量而变化。应当理解的是，在实施本发明时可采用对本文描述的本发明实施例的各种替换。因此构想的是，本发明还涵盖任何这样的替换、修改、变型或等同物。旨在的是，所附权利要求限定本发明的范围，并且落在这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构被所附权利要求涵盖。

Claims (48)

1.一种用于形成三维物件的打印系统，包括：
a.激光源，通过受激拉曼散射产生可见光的相干光束；
b.基底，与所述激光源光学通信；
c.扫描模块，位于所述激光源的下游，其中所述扫描模块适于产生所述可见光的相干光束相对于所述基底的扫描运动，该扫描运动对应于所述三维物件的预定形状；以及
d.计算机控制系统，操作地结合于所述激光源和所述扫描模块，其中所述计算机控制系统编程为(i)以预定的方式控制所述扫描运动并且(ii)调制所述激光源的功率，以由所述基底形成所述物件。
2.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述扫描模块适于(i)移动所述可见光的相干光束或者(ii)相对于所述可见光的相干光束移动所述基底。
3.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述扫描模块包括一个或多个电流计。
4.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述扫描模块包括至少两个正交的线性平移工作台，所述线性平移工作台相对于所述可见光的相干光束移动所述基底。
5.根据权利要求1所述的打印系统，进一步包括位于所述激光源与所述基底之间的物镜，其中所述物镜将所述可见光的相干光束聚焦在所述基底上。
6.根据权利要求5所述的打印系统，其中，其中所述物镜为f-θ透镜。
7.根据权利要求5所述的打印系统，其中，所述物镜为短焦距透镜，该短焦距透镜由所述可见光的相干光束而在所述基底上产生亚微米点。
8.根据权利要求1所述的打印系统，进一步包括竖直平移器，所述竖直平移器(i)沿着与所述可见光的相干光束的方向大体平行的方向移动所述基底，或者(ii)沿着与所述可见光的相干光束的方向大体平行的方向移动包括所述激光源的组件。
9.根据权利要求8所述的打印系统，其中，所述竖直平移器以至少大约10纳米的增量来移动所述基底或所述组件。
10.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述激光源包括一个或多个可见激光二极管。
11.根据权利要求10所述的打印系统，其中，所述一个或多个可见激光二极管中的单个二极管为结合于板的单个激光芯片。
12.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述激光源包括多组激光二极管，其中所述多个中的每个组包括多个激光二极管，并且其中所述多个中的每个组产生包括在所述相干光束中的一个或多个相干光束。
13.根据权利要求12所述的打印系统，进一步包括准直透镜，所述准直透镜将来自所述多个激光二极管中的每个组的激光束对齐。
14.根据权利要求13所述的打印系统，进一步包括圆化光学件，用于使得来自所述准直透镜的光束的发散是对称的。
15.根据权利要求12所述的打印系统，进一步包括压缩光学元件，所述压缩光学元件将来自激光二极管的所述组的光束压缩，以减小或最小化所述光束之间的死区。
16.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述可见光的相干光束为相干的单模光。
17.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述激光源包括光纤，并且其中所述激光源以带有小于50分贝每千米(db/km)的瑞利损耗的方式在所述光纤中生成所述可见光的相干光束。
18.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述光源包括至少一个激光二极管以及与所述激光二极管光学通信的光纤。
19.根据权利要求18所述的打印系统，其中，所述光纤包括(i)中央芯，为大致单模，(ii)包层，具有比所述中央芯更大的直径，所述包层捕获从所述激光二极管阵列输出的多个可见光光束，以及(iii)外包层，沿着所述光纤引导由所述激光二极管阵列输出的所述可见光光束。
20.根据权利要求19所述的打印系统，其中，所述中央芯和所述外包层布置成使得所述多个可见光光束横过所述中央芯，以通过受激拉曼散射而在所述中央芯中形成增益。
21.根据权利要求1所述的打印系统，其中，所述物件为微型机电(MEMS)设备的部件。
22.一种用于形成三维物件的打印系统，包括：
a.激光源，包括光纤，所述激光源以带有小于50分贝每千米(db/km)的瑞利损耗的方式在所述光纤中输出可见光的相干光束；
b.基底，与所述激光源光学通信；
c.扫描模块，位于所述激光源的下游，其中所述扫描模块适于产生所述可见光的相干光束相对于所述基底的预定扫描运动，该预定扫描运动对应于所述三维物件的形状；以及
d.计算机控制系统，操作地结合于所述激光源和所述扫描模块，其中所述计算机控制系统编程为(i)以预定的方式控制所述扫描运动并且(ii)调制所述激光源的功率，以由所述基底形成所述物件。
23.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述扫描模块适于(i)移动所述可见光的相干光束或者(ii)相对于所述可见光的相干光束移动所述基底。
24.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述扫描模块包括一个或多个电流计。
25.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述扫描模块包括至少两个正交的线性平移工作台，所述线性平移工作台相对于所述可见光的相干光束移动所述基底。
26.根据权利要求22所述的打印系统，进一步包括位于所述激光源与所述基底之间的物镜，其中所述物镜将所述可见光的相干光束聚焦在所述基底上。
27.根据权利要求26所述的打印系统，其中，其中所述物镜为f-θ透镜。
28.根据权利要求26所述的打印系统，其中，所述物镜为短焦距透镜，该短焦距透镜由所述可见光的相干光束而在所述基底上产生亚微米点。
29.根据权利要求22所述的打印系统，进一步包括竖直平移器，所述竖直平移器(i)沿着与所述可见光的相干光束的方向大体平行的方向移动所述基底，或者(ii)沿着与所述可见光的相干光束的方向大体平行的方向移动包括所述激光源的组件。
30.根据权利要求29所述的打印系统，其中，所述竖直平移器以至少大约10纳米的增量来移动所述基底或所述组件。
31.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述激光源包括一个或多个可见激光二极管。
32.根据权利要求31所述的打印系统，其中，所述一个或多个可见激光二极管中的单个二极管为结合于板的单个激光芯片。
33.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述激光源包括多组激光二极管，其中所述多个中的每个组包括多个激光二极管，并且其中所述多个中的每个组产生包括在所述相干光束中的一个或多个相干光束。
34.根据权利要求33所述的打印系统，进一步包括准直透镜，所述准直透镜将来自所述多个激光二极管中的每个组的激光束对齐。
35.根据权利要求34所述的打印系统，进一步包括圆化光学件，用于使得来自所述准直透镜的光束的发散是对称的。
36.根据权利要求33所述的打印系统，进一步包括压缩光学元件，所述压缩光学元件将来自激光二极管的所述组的光束压缩，以减小或最小化所述光束之间的死区。
37.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述可见光的相干光束为相干的单模光。
38.根据权利要求22所述的打印系统，其中，所述光源包括至少一个激光二极管以及与所述激光二极管光学通信的光纤。
39.根据权利要求38所述的打印系统，其中，所述光纤包括(i)中央芯，为大致单模，(ii)包层，具有比所述中央芯更大的直径，所述包层捕获从所述激光二极管阵列输出的所述多个可见光光束，以及(iii)外包层，沿着所述光纤引导由所述激光二极管阵列输出的所述可见光的相干光束。
40.一种用于形成三维物件的方法，包括：
a.提供激光源和在光学上位于所述激光源下游的扫描模块；
b.使用所述激光源，通过受激拉曼散射产生可见光的相干光束；
c.将所述可见光的相干光束引导至与所述激光源光学通信的基底；
d.在所述基板中或由所述基板产生一特征，该特征对应于所述三维物件的预定形状的至少一部分；
e.使用所述扫描模块，产生所述可见光的相干光束相对于所述基底的扫描运动，该扫描运动对应于所述三维物件的所述预定形状；以及
f.沿着与所述可见光的相干光束大体平行的方向相对于所述激光源移动所述基底。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，(e)包括调制所述激光源的功率。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述功率在至少大约50kHz的频率下调制。
43.根据权利要求40所述的方法，进一步将所述扫描运动编程在存储器中，所述扫描运动由所述物件的三维形状确定。
44.根据权利要求40所述的方法，其中，所述特征具有由透射电子显微镜测量的从大约0.1纳米(nm)到50nm的表面粗糙度。
45.根据权利要求40所述的方法，其中，在(f)中，所述基底在至少大约10纳米的距离处移动。
46.根据权利要求40所述的方法，其中，在(f)中，(i)所述基底沿着与所述可见光的相干光束的方向大体平行的方向移动，或者(ii)包括所述激光源的组件沿着与所述可见光的相干光束的方向大体平行的方向移动。
47.根据权利要求40所述的方法，其中，所述基底为粉末。
48.根据权利要求47所述的方法，进一步包括在(d)之后补充所述粉末。
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