CN108367389B - 激光加工方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了方法，所述方法包括将激光束以可变扫描速度沿着扫描路径引导到目标，以及在所述激光束沿着所述扫描路径的移动期间并相对于所述可变扫描速度来调节数字调制以便沿着所述扫描路径在所述目标处提供预定注量范围内的注量。一些方法包括使用变焦光束扩展器调节所述激光束的宽度。本发明公开了装置，所述装置包括激光源，所述激光源被定位成发射激光束；3D扫描器，所述3D扫描器被定位成接收所述激光束并且沿着扫描路径将所述激光束引导在所述目标处的扫描平面内；以及激光源数字调制器，所述激光源数字调制器耦合到所述激光源以便在所述激光束扫描速率沿着所述扫描路径改变时沿着所述扫描路径在所述扫描平面处产生预定注量范围内的注量。

Description

激光加工方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月5日提交的美国临时专利申请No.62/292,108和2015年11月23日提交的美国临时专利申请No.62/258,774的权益，这两份美国临时专利申请全文均以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及激光材料加工。
背景技术
近年来，增材制造和3D印刷技术已经越来越普及，因为形成具有连续层的物体的技术已成熟并且已广泛应用。具体地讲，基于激光的方法(诸如选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS))现在已有可能代替用于制造工业级物体的传统技术(诸如铸造和机加工)。然而，仍然障碍重重。例如，常规增材制造方法通常不能像其传统制造的对应物那样快地形成物体，或其成品状态不那么可靠。此外，所形成的物体通常没有优异的精密细节或特征分辨率。因此，仍然需要针对解决与常规增材制造装置和方法相关联的问题和缺点的创新。
发明内容
根据一些实施方案，方法包括将激光束以可变扫描速度沿着扫描路径引导到目标，以及在激光束沿着扫描路径的移动期间并相对于可变扫描速度来调节数字调制以便沿着扫描路径在目标处提供预定注量范围内的注量。
根据另外的实施方案，方法包括将激光束沿着扫描路径引导到目标，其包括使用变焦光束扩展器调节激光束的宽度以便在目标处提供具有可变光斑尺寸的激光束，通过具有z轴焦点调节光学系统和检流计扫描系统的3D扫描系统从变焦光束扩展器接收激光束，以及在目标处沿着扫描路径扫描具有可变光斑尺寸的激光束。
根据另外的实施方案，装置包括激光源，该激光源被定位成发射激光束；3D扫描器，该3D扫描器被定位成接收激光束并且沿着扫描路径将激光束引导在目标处的扫描平面内；以及激光源数字调制器，该激光源数字调制器耦合到激光源以便在激光束扫描速率沿着扫描路径改变时沿着扫描路径在扫描平面处产生预定注量范围内的注量。在附加示例中，装置还包括变焦光束扩展器，该变焦光束扩展器被定位成从激光源接收激光束并且改变由3D扫描器所接收到的激光束的宽度以便改变扫描平面内的激光束的聚焦激光光斑的尺寸。
根据附加实施方案，方法包括使激光束聚焦于聚焦场内的目标处，以可变速率沿着扫描路径扫描聚焦激光束，以及在沿着扫描路径的扫描移动期间以数字方式调制激光束以便沿着扫描路径调节由目标所接收到的激光束平均功率并且以便为目标提供高于或低于与目标相关联的一个或多个激光加工阈值的注量。
根据另外的示例，方法包括将激光束以可变扫描速度沿着扫描路径引导到目标，以及使用变焦光束扩展器基于可变扫描速度来调节激光束的准直宽度。在一些示例中，调节准直宽度以便在目标处提供具有可变光斑尺寸的激光束以及沿着扫描路径在目标处提供预定注量范围内的注量。一些示例还可包括基于可变扫描速度来调节激光束的数字调制。
在附加实施方案中，方法包括使用变焦光束扩展器调节激光束的宽度以便在目标处提供具有可变光斑尺寸的激光束，将激光束沿着扫描路径引导到目标，以及相对于可变光斑尺寸以数字方式调制激光束以便沿着扫描路径在目标处提供预定注量范围内的注量。在另外的示例中，将激光束以可变扫描速率沿着扫描路径引导到目标，并且调节数字调制以便沿着扫描路径在目标处保持预定注量范围内的注量。
从下面参照附图进行的详细描述中，所公开技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1示出了增材制造装置的侧视示意图。
图2A示出了激光图案化扫描路径的顶视图。
图2B至图2I示出了与扫描的激光束相关的变量的曲线图。
图3是注量相对于焦点位置的曲线图。
图4示出了激光图案化装置的侧视示意图。
图5示出了激光图案化装置的另一个侧示意图。
图6是激光图案化工艺的流程图。
图7是激光图案化系统的示意图。
图8是激光图案化系统的另一个示意图。
图9是激光图案化系统的另一个示意图。
具体实施方式
如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。此外，术语“耦合”不排除耦合项之间中间元件的存在。
在此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。
尽管为了便于表示，以特定的先后顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非在下文中通过特定语言要求特定的顺序，否则这种描述的方式包含重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员识别。
在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应该理解，这样的描述旨在表示可以对许多所使用的功能替代项进行选择，并且这样的选择不需要更好、更小或以其他方式优于其他选择。
如本文所用，激光束和相关联的光学辐射是指波长介于约100nm与10μm之间，并且典型地介于约500nm与2μm之间的电磁辐射。基于可用激光二极管源和光纤的示例通常与约800nm和1700nm之间的波长相关联。在一些示例中，传播的光学辐射被称为具有直径、不对称快轴和慢轴、光束横截面积以及光束散度的一条或多条光束，所述项可取决于光束波长和用于光束成形的光学系统。为了方便，在一些示例中，光学辐射被称为光，并且不需要在可见波长。
参照光纤来描述代表性实施方案，但是也可以使用具有正方形、矩形、多边形、卵形、椭圆形或其他横截面的其他类型的光波导管。光纤典型地由掺杂(或不掺杂)的二氧化硅(玻璃)形成，以便提供预定的折射率或折射率差。在一些示例中，纤维或其他波导管由其他材料制成，诸如氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟化物或磷酸盐玻璃、硫属化合物玻璃或诸如蓝宝石的晶体材料，具体取决于所感兴趣的波长。二氧化硅和氟化物玻璃的折射率通常约为1.5，但是诸如硫属化合物的其他材料的折射率可以是3或更大。在其他示例中，光纤可以部分地由塑料所构成。在典型示例中，诸如纤维芯的掺杂波导管芯提供响应于泵浦的光学增益，并且芯和包层近似同心。在其他示例中，芯和包层中的一个或多个是偏心的，并且在一些示例中，芯和包层取向和/或位移沿波导管长度而变化。
在本文公开的示例中，波导管芯诸如光纤芯掺杂有诸如Nd、Yb、Ho、Er的稀土元素，或者其他有源掺杂物或其组合。这种有源掺杂的芯可响应于光学或其他泵浦而提供光学增益。如下所述，具有这种有源掺杂物的波导管可用于形成光学放大器，或者如果提供有合适的光学反馈诸如反射层、反射镜、布拉格光栅或其他反馈机构，则这种波导管可以产生激光发射。可以将光泵浦辐射布置成在波导管中相对发射的激光束或放大光束的传播方向同向传播和/或对向传播。
术语亮度本文用来指每单位立体角每单位面积的光束功率。在一些示例中，使用一个或多个激光二极管提供光束功率，所述一个或多个激光二极管所产生的光束的立体角与光束波长和光束面积成比例。光束面积和光束立体角的选择可产生泵浦光束，这些泵浦光束将所选的泵浦光束功率耦合到双包层光纤、三包层光纤或其他多包层光纤的一个或多个芯或包层中。术语注量本文用来指每单位面积的能量。在一些实施方案中，沿着扫描路径将注量输送到目标以便在与扫描路径相关联的所选面积中对目标进行加热或以其他方式激光加工。扫描路径可具有各种形状，包括线性、弯曲、折回、分段等。光学系统所生成的输出光束沿着扫描路径引导，并且沿着横向于传播方向的一个或多个轴可具有各种亮度和均匀性特征。典型的输出光束是具有各种输出功率(包括大于或等于100W、500W、1kW、3kW、6kW、10kW或20kW的平均光束功率)的连续波，具体取决于特定应用。以数字方式调制连续波输出光束，如本文进一步讨论。
图1是装置100，该装置包括在增材制造工艺中将激光加工光束104发射并引导到目标106的激光系统102。目标106一般由位于容器110中的细金属粉末108逐层形成。一旦对一层进行了激光图案化，z平台112就降低容器110并且使用从相邻贮存器116提供附加细金属粉末108的轧辊114来铺开细金属粉末108的新层。然后对该新层进行激光图案化，并且使用后续细金属粉末层重复该工艺多次以便形成三维物体。
在图2A中示出了扫描路径200的示例，在对目标(诸如增材制造目标)进行激光图案化的工艺中沿着该扫描路径扫描激光加工光束。在时间t1，激光加工光束以扫描速度(例如，特定速率和方向)向图2A的平面中的右侧行进。当激光加工光束在时间t2到达更接近路径拐角的另一个位置时，激光加工光束的扫描速率开始减慢。在时间t3，激光加工光束减慢，变得暂时不动，以便改变方向并在图2A的平面中向下移动。在时间t4，激光加工光束的扫描速率已增加，并且在时间t5，激光加工光束已达到与时间t1相同的速率。
在扫描路径200下方，图2B示出了与扫描路径200的时间t1-t5相对应的速率|v(t)|与时间的关系曲线图202。可以看出，激光加工光束的速率在t1具有初始扫描速率，在时间t3减慢以静止，此时激光加工光束改变方向，并且在t5使扫描速率增加到最终扫描速率，该最终扫描速率可与初始扫描速率相同或不同。在曲线图202下方，在图2C中是与时间t1-t5和扫描路径200相对应的激光加工光束平均功率PAVG(t)与时间的关系曲线图204，并且在图2D中是由加工目标沿着扫描路径诸如扫描路径200接收到的注量E(x)的曲线图206。在典型的激光加工示例中，注量E(x)应保持在预定范围内，诸如在两个阈值诸如恒定阈值FHIGH,FLOW之间。在一些示例中，这些阈值和对应预定范围可根据各种因素而变化或调制，这些因素诸如为特征尺寸和形状、材料依赖性特征诸如加热和冷却速率等。例如，不同目标或相同目标的不同部分或区域可具有不同材料特性。另外，可在不同加工窗口(包括注量窗口)中实现不同激光加工效应。通过将注量保持在一个或多个对应范围内，激光能量可对目标执行所需的改变。例如，在选择性激光熔化工艺中，过多的注量可损坏目标，使热影响区变得更严重，并且不利地影响成品物体的各种参数，诸如拉伸强度和可靠性。不足的注量可防止目标材料正确熔化，从而削弱了成品物体。通过在激光加工期间将注量保持在预定范围内，可制成具有优异材料特征的成品物体。
在一些实施方案中，为了将注量E(x)保持在预定范围内(例如，FHIGH与FLOW之间)，激光加工光束的平均功率PAVG(t)对应于光束移动信息(诸如激光加工光束沿着扫描路径200的扫描速率|v(t)|的减小)而降低。然而，出于各种原因，无法实现或无法以有效方式实现平均功率PAVG(t)的直接连续降低。例如，激光扫描部件(诸如反射镜和光学器件)可以以慢于激光图案化工艺需求的速率移动，导致目标处的激光注量高于FHIGH或低于FLOW。在一些情况下，生成激光加工光束的激光源的增益介质的动态不能足够快速地响应于激光加工光束的功率电平的所需连续或不连续变化。
在曲线图206下方，在图2E中是描绘激光加工光束的调制的功率P(t)的曲线图208，即使具有缓慢扫描器动态或其他激光系统缺陷，该激光加工光束也可产生平均功率PAVG(t)的快速变化。调制的功率P(t)在高功率PHIGH与低功率PLOW之间交替，并且低功率PLOW可为零或非零。调制的功率P(t)包括可变调制周期TMOD以及占TMOD一定百分比的可变占空比PDUTY。一般来讲，当与激光加工光束的扫描相关联的速率减小时，调制周期TMOD和占空比PDUTY中的一者或多者可改变以便降低激光加工光束的平均功率并且将目标所接收到的注量保持在预定范围内。在一些示例中，与扫描路径200相关联的其他信息用于将注量E(x)保持在预定范围内，诸如扫描路径200与此前扫描的扫描路径200的相邻部分(包括折回)的接近度、环境温度、局部温度、加热和冷却速率、扫描加速度、扫描位置等。在另外的示例中，所输送的注量以及输送该注量的激光束的峰值功率保持在根据激光加工要求的预定范围内。在特定实施方案中，在形成较小目标细节期间激光加工光束扫描速度快速变化时，对细微特征(大约数微米)进行激光加工。在一些实施方案中，可改变调制周期TMOD，使得平均光束功率基于生成光束的激光源的增益介质或激光源的其他部件的响应动态而变化。
在曲线图208所示的示例中，在时间t1，激光加工光束的功率恒定保持在功率PHIGH。当激光加工光束的速率|v(t)|减小时，激光加工光束从恒定功率变化为调制的功率，以与激光加工光束的扫描速率的减小相关联的频率从PHIGH切换到PLOW再回到PHIGH。当激光加工光束扫描的速率|v(t)|随着时间接近t2和t3继续减小时，功率调制频率增加，从而减小周期TMOD和占空比THIGH/THIGH+TLOW，其中THIGH是施加功率PHIGH的持续时间，并且TLOW是施加功率PLOW的持续时间。减小的占空比降低了用于激光加工光束的平均功率PAVG，并且提供了预定范围内的激光加工注量。因此，通过调节激光加工光束的功率的数字调制，可调节激光加工光束的平均功率，使得可在目标处提供保持在对应于目标的预定注量范围内的注量。另外参照图2F中的曲线图210，在一些实施方案中，激光加工光束可改变为两个以上功率电平(诸如P0、P1和P2)，或在两个以上功率电平之间切换，并且以数字方式调制以产生平均功率和相关联的注量的快速变化。在另外的示例中，可通过以下方式提供平均激光加工光束功率的降低：调节激光加工光束的数字调制，使得功率电平在适用于执行激光加工的峰值功率的范围内。
如上所讨论，预定注量范围可根据激光加工因素而变化，并且本文的示例可产生将注量保持在可变注量范围内的调制的光束功率。图2G示出了注量ESTEP的曲线图212，其中目标注量从具有阈值F1-HIGH,F1-LOW的第一注量F1逐步变化到具有阈值F2-HIGH,F2-LOW的第二注量F2。在一些示例中，在采用激光加工光束的恒定扫描速度，诸如采用直线扫描路径时，具有固定周期和占空比的以数字方式调制的光束可提供第一注量F1并且未调制的光束可提供第二注量F2。功率的数字调制可允许第一注量F1与第二注量F2之间的更快速转变。在图2H中，曲线图214示出了预定注量范围FMOD，该预定注量范围根据正弦曲线在相应上注量边界FHIGH与下注量边界FLOW之间变化。可通过激光加工光束的光功率的数字调制将输送到目标的注量EACTUAL保持在注量范围FMOD内。在一些激光加工示例中，注量调制的频率可相对较快，包括1kHz、10kHz、100kHz或更大。在不同示例中，高频率注量振荡依赖于或独立于注量振荡相位。
在一些示例中，模拟调制可连同数字调制一起施加以改变激光加工光束的平均功率。然而，模拟调制通常具有更慢的响应时间以便实现平均功率的所需降低，从而将注量保持在预定范围内。为了提高加工效率并且不论各种系统变量(诸如扫描器动态)如何都能将注量稳固地保持在预定注量范围内，通常使用数字调制或混合的数字与模拟调制来调节激光加工光束的平均功率，并且提供更快速的响应以将注量维持在预定范围内。例如，参见图2I，曲线图216示出了以数字方式调制的信号PMOD，该信号包括具有根据模拟命令信号PANALOG降低到最小功率PLOW1的功率最大值的多个调制部分。针对激光加工光束所命令和产生的实际平均输出功率可包括跟踪路径PAVG，该路径可包括平均光束功率的更快速变化和更低的最小功率PLOW2。
图3是激光加工光束的注量F(z)相对于焦点位置Z的曲线图，该焦点位置与耦合到激光加工光束的扫描器相关联。一般来讲，注量F(z)在注量FMAX处为最大值，在此处激光加工光束沿激光加工光束的传播方向被带到最佳焦点位置ZBEST。当激光加工光束的焦点距离从ZBEST增大或减小，从而使激光加工光束有效散焦时，随着激光加工光束扩展和散焦，与新焦点位置相关联的注量减少。在激光加工期间，通常希望通过将散焦约束或控制在焦点位置ZLOW与ZHIGH之间而将激光加工光束的注量F(z)保持在注量边界FHIGH和FLOW内，例如使得激光加工可产生目标的对应变化。虽然注量边界可以是可变的，但在典型示例中，注量边界是固定的。在一些实施方案中，使用3D扫描器在目标处在较大图案加工区域内以比Fθ透镜或其他扫描光学器件更平的焦场曲扫描激光加工光束。因此，通过在目标处扫描的激光加工光束来输送的注量更可能保留或更易于保持在注量边界FHIGH,FLOW内。
在图4中，装置400包括激光源402，该激光源被定位成发射激光加工光束404。激光控制器406耦合到激光源402以便控制激光加工光束404的功率，包括调制的功率。3D扫描器408被定位成接收激光加工光束404并且将激光加工光束引导到目标410。利用3D扫描器408，一般使激光加工光束404聚焦于焦平面412，该焦平面与目标410的平坦表面平行且对准。然而，在一些示例中，3D扫描器408允许焦点位置变化以便提供可对应于非均匀目标表面的非平坦焦场。在典型示例中，3D扫描器408包括XY检流计扫描反射镜组和Z位置聚焦组，该Z位置聚焦组基于检流计扫描反射镜的位置来改变焦平面412处的光束的焦点位置。装置400还包括变焦光束扩展器414，该变焦光束扩展器被定位成接收具有准直输入直径D0的激光加工光束404，并且调节光束宽度，使得离开变焦光束扩展器414的激光加工光束沿着横向于激光加工光束的传播路径的一个或多个方向具有相同或不同准直直径D1。由3D扫描器408接收具有准直直径D1的激光加工光束404，并对该激光加工光束进行扫描，使之以光斑尺寸W1聚焦于目标410处。变焦光束扩展器414还可调节激光加工光束404以便具有小于准直直径D1的准直直径D2。由3D扫描器接收更小的准直直径D2，并对该准直直径进行扫描，使之以光斑尺寸W2聚焦于目标处，由于准直直径D2更小，该光斑尺寸W2大于光斑尺寸W1。
变焦光束扩展器414可以以各种方式构造。在典型示例中(并且如图4所示)，变焦光束扩展器414包括一组入射组光学器件416，其被固定和定位成从激光源402接收激光加工光束404。一组出射组光学器件418被定位成从入射组光学器件416接收扩展光束，并且通过沿着出射组光学器件418的一个或多个光学器件的光轴的移动，增大或减小从变焦光束扩展器414发射的激光加工光束404的直径。为了提供用于改变激光加工光束404的准直直径的受控运动，将变焦光束扩展器414耦合到激光控制器406。通过可控地扩展光学地耦合到3D扫描器408中的激光加工光束404的直径，可在目标处提供光斑尺寸的受控变化以实现各种效应。
在典型示例中，用变焦光束扩展器414产生的不同光斑尺寸用于对目标410处不同尺寸和形状的特征进行激光加工。在一些示例中，在目标410处以可变扫描速度沿着扫描路径扫描激光加工光束404，使得通过相对于可变扫描速度来改变光斑尺寸，使目标接收到预定注量范围内的注量。在另外的示例中，使用具有更大的光斑尺寸(例如，具有光斑尺寸W2)和恒定激光加工光束功率的激光加工光束404对更大的特征进行激光加工，并且使用具有更小的光斑尺寸(例如，具有更小的光斑尺寸W1)和通常更小的以数字方式调制的激光加工光束功率的激光加工光束404对更小的特征进行激光加工。通过以数字方式调制激光加工光束功率，激光加工可避免光束功率的模拟调制或可使光束功率的模拟调制成为可选的，并且当发生光斑尺寸的变化时，输送到目标的注量可保持在用于激光加工的预定注量范围内。
图5示出了另一个装置500，该装置包括激光源502，该激光源由激光控制器504控制并且被定位成产生准直激光束506。变焦光束扩展器508被定位成接收准直激光束506并且改变该准直激光束的直径以产生扩展的光束507。3D扫描器510被定位成从变焦光束扩展器508接收扩展的光束507并且使扩展的光束507在目标512处的各种位置S1-S3中聚焦成光斑。3D扫描器510通常包括接收并聚焦扩展的光束507的可变位置聚焦光学器件514以及一对检流计控制的扫描反射镜516，该对检流计控制的扫描反射镜接收聚焦光束并且将聚焦光束引导到与目标512对准的特定位置(通常在焦平面中)，例如引导到预定X-Y坐标。目标512处的激光束光斑的位置在与3D扫描器510相关联的整个扫描场中可以变化。在使用固定聚焦光学器件(诸如Fθ透镜)的扫描器中，与Fθ透镜的焦点位置相关联的场曲518通常是弯曲的。因此，对于在朝向扫描场的周边的位置SN(诸如位置S1和S3)处聚焦的激光束，通常发生散焦。这种散焦可减少由目标512所接收到的注量，使得注量在预定范围之外，并且可发生整个扫描场中不均匀的加热和不均匀的加工。3D扫描器510的可变位置聚焦光学器件514(其可包括一个或多个透镜、反射镜、衍射光学元件等)允许光斑的焦点位置相对于3D扫描器510的场中的光斑的X-Y位置而变化。因此，可对光斑的焦点位置进行较小调节，使得与3D扫描器相关联的场曲比其他系统更平。将3D扫描器510耦合到激光控制器504以便接收对应于图案数据的扫描和聚焦信号，以用于扫描准直激光束506并使之聚焦于目标处。可将图案数据存储在激光控制器504中，或可从外部源接收图案数据。
在图6中，对目标进行激光加工的方法600包括在602处，提供激光束的扫描路径，并且在604处，为目标处的激光束选择光斑尺寸。例如，可使用激光图案文件向激光控制器提供激光束扫描路径，该激光图案文件包括与待扫描经过目标的激光束的位置相关的数据。还可向激光控制器实时提供激光束扫描路径，使得激光控制器或激光扫描器对扫描路径信号的接收与目标处激光束的扫描同时发生或以接近的时间关系发生。在606处，基于与目标的激光加工相关联的激光束扫描路径、激光束光斑尺寸和激光束注量范围来确定激光束的平均功率。在608处，通过耦合到产生激光束的有源介质的一个或多个激光泵浦源的数字调制，以数字方式调制激光束的功率。以数字方式调制的激光束对应于在606处确定的平均功率，该平均功率可基于扫描路径和光斑尺寸而显著改变。在610处，沿着在602处提供的扫描路径引导激光束。在另外的示例中，为扫描路径确定平均功率，并且改变激光束的光斑尺寸以对应于所确定的平均功率。在另外的示例中，数字调制和可变光斑尺寸均用于提供平均功率以对应于预定注量范围。
在图7中，激光系统700被定位成在精密控制目标702处的注量的情况下对目标702进行激光图案化。激光系统700包括激光控制器704，该激光控制器耦合到泵浦驱动器706(诸如电压受控的AC/DC电源或耦合到电源的稳压器)和激光扫描器708。泵浦驱动器706基于电压和电流中的一者或多者来驱动泵浦二极管710。泵浦二极管710耦合到激光增益介质，诸如有源光纤712，其使用来自泵浦二极管710的能量来生成激光系统光束714。由变焦光束扩展器716接收激光系统光束714，该变焦光束扩展器可改变离开变焦光束扩展器716的激光系统光束714的准直宽度，以便沿着横向于激光系统光束714的传播方向的一个或多个轴改变目标702处的相同平面内的激光系统光束714的聚焦光斑的尺寸。激光扫描器708以所选的准直光束宽度从变焦光束扩展器716接收激光系统光束714，并且将激光系统光束716引导到目标702以便加工图案并沿着扫描路径715沉积与激光加工相关联的预定范围内的激光注量。
在一些示例中，激光控制器704耦合到栅极信号718，该栅极信号为控制器704提供激光系统光束714的第一状态和第二状态条件，并且可与目标702上形成的图案相关联。例如，栅极信号718可对应于激光图案化数据文件720，该激光图案化数据文件提供接通和断开条件，使得当扫描激光系统光束714时，可将各种特征与目标702上的其他特征隔离或隔开并且可形成复杂特征。激光控制器704包括栅极控制722，该栅极控制将栅极控制信号传送到泵浦驱动器706，使得泵浦二极管710通电以泵浦有源光纤712以便对应于与栅极信号相关联的接通和断开。激光图案化数据文件720还可提供将要在目标702处扫描的激光系统光束714的各种矢量数据，诸如扫描位置数据。激光控制器704耦合到激光扫描器708，但在其他示例中，激光图案化数据文件720可直接耦合到激光扫描器708。各种连接可为有线的或无线的，并且文件数据可存储在易失性或非易失性存储器中。在另外的示例中，栅极信号的栅极命令存储在激光控制器704的存储器中。
为了将输送到目标702的激光注量保持在预定范围内，激光控制器704包括注量设定点724，该注量设定点耦合到调制周期控制726、占空比调制控制728和模拟调制频率控制730，这些控制还耦合到泵浦驱动器706。调制周期控制726被定位成调节泵浦二极管710的数字调制周期。例如，泵浦二极管的光功率输出可从更慢的频率和对应周期增加到更快的频率(例如，从10kHz到100kHz、200kHz或更快)和对应周期，或从连续接通状态(例如，0kHz)增加，使得与激光系统光束714相关联的功率在两个或更多个功率电平之间交替或更快交替(例如，以10kHz在10W与500W之间交替)。
占空比控制728被定位成调节泵浦二极管710的功率占空比。占空比可在大于90％至小于10％的范围内，并且可相对于调制周期而变化。所选占空比通常足够大，使得可相对于所选调制周期的激光加工光束的上升和下降时间来生成激光加工光束能量的合适量，以便将激光加工光束平均功率保持在所需电平。在一些示例中，选择固定调制周期，并且将占空比从100％改变为小于10％，以便产生激光加工光束平均功率的对应降低。在另外的示例中，调制周期缩短并且占空比减小以对应于激光加工光束平均功率的降低，使得可使用激光加工光束形成与扫描速度的变化相关联的细微细节。
调制周期控制726和占空比控制728可基于注量设定点724来产生调制变化，以便降低或改变目标处的激光系统光束714的平均功率。在一些实施方案中，平均功率的降低可与目标702处的激光系统光束714的光斑尺寸的减小或待相对于目标702扫描的激光系统光束714的光束扫描速度的变化(诸如扫描速率的减小或扫描方向的变化)相关联。可由功率检测器732检测激光系统光束714的功率，该功率检测器耦合到一个或多个系统部件，诸如有源光纤712，其中所检测到的功率的对应信号耦合到控制器704。所检测到的激光系统光束714的功率可用于常规监测、紧急切断等，并且还可用于帮助确定激光注量在激光加工期间是否保持在一个或多个阈值、边界、公差等以内、以上或以下。例如，可将所检测到的功率与基于特定数字调制设置计算的平均功率进行比较，并且调制周期控制726和占空比控制728可缩放或调节调制周期和占空比以产生具有与注量设定点724相对应的平均功率的激光系统光束714。例如，激光系统700可耦合到不同类型的激光扫描器、泵浦二极管、有源光纤等，它们各自均可影响激光系统700的动态并且数字调制调节达到的程度影响注量沉积。
在一些示例中，在将栅极信号718耦合到激光控制器704之前，可由栅极信号718限定基于注量设定点724调节的数字调制周期和占空比。在另外的实施方案中，图案文件720可耦合到控制器704并且不需要从外部提供栅极信号722。在附加实施方案中，模拟调制控制730还用于通过将其与调制周期控制726和占空比控制728组合来帮助保持目标702处的激光注量。通常，激光系统光束714的输出功率的模拟调制独自响应太慢，无法将目标702处输送的激光注量保持在与注量设定点724或激光加工的注量要求相关联的预定范围内。通常，这种无能可与控制器704或泵浦二极管710和有源光纤712的电子器件的动态相关联。然而，变焦光束扩展器716和激光扫描器708的动态也可变化。因此，通过使用调制周期控制726和占空比控制728以数字方式调制泵浦二极管710，即使激光系统700的各种部件之间具有较慢或不一致的动态，也可将输送到目标702的激光注量保持在预定范围内。在一些示例中，调制周期控制726、占空比控制328和模拟调制控制730对激光注量的组合效应可有利地将注量保持在所需电平。
在另外的示例中，调制周期控制726还可基于图案文件720或与激光扫描路径715相关联的其他数据来调节调制周期。在产生细微特征(诸如彼此接近的多个特征)的与目标702相关联的图案中，总热负荷可影响相邻或折回特征的激光加工注量阈值。调制周期控制726和占空比控制728可基于向目标702输送的热负荷、与目标702的一个或多个部分相关联的所预测或所测量的温度、或激光系统光束714在目标702的一个或多个区域中的停留时间等来调节激光系统光束714的功率。例如，激光系统光束714可通过激光扫描路径715中相对于目标702的第一扫描移动变化(例如，激光系统光束714的第一转向)以数字方式调制，并且可在与第一转向接近的第二转向期间以数字方式调制以将激光系统714的平均功率降低到更大程度。
在图8中，激光系统800包括控制器802，该控制器被定位成接收模拟输入端804处的模拟信号、栅极输入端806处的栅极信号以及注量调制输入端808处的注量调制信号。控制器802通常使用栅极信号来调制或改变由电源810提供给激光泵浦二极管812的功率，通常通过改变提供给激光泵浦二极管812的驱动电流。激光泵浦二极管812光学地耦合到掺杂光纤814或其他生成激光系统光束816的激光增益介质。激光系统光束816的功率可对应于栅极信号的调制而升高和/或降低，例如，以便在加工选择性激光熔化(SLM)目标818的非邻接部分之间降低。上升-下降电路820耦合到控制器802和泵浦二极管812，以控制由电源810提供给泵浦二极管812的泵浦电流的上升时间和下降时间。通过控制泵浦电流的上升时间和下降时间，可选择由泵浦二极管812生成的一个或多个泵浦光束822的相关联的上升时间、下降时间、过冲和下冲。在一些示例中，适用于泵浦光束822的响应时间可与泵浦二极管可靠性保持平衡。由掺杂光纤814生成的激光系统光束816还耦合到变焦光束扩展器824，该变焦光束扩展器被定位成改变激光系统光束814的光斑尺寸，该激光系统光束通过激光扫描器826聚焦于SLM目标818处的相同平面中。上升时间通常被定义为参数(诸如激光束功率)从稳定状态值的所选部分上升到稳定状态值的另一个所选部分(例如，2％与98％，5％与95％，10％与90％，1％与95％等)所需的持续时间。下降时间可类似地被定义为从稳定状态值下降所用的持续时间。初始值或稳定状态下降值可为零或非零。过冲和下冲可被定义为稳定状态值的百分比。
注量调制信号还可用于将激光系统光束功率调制、改变或控制到与栅极信号相关联的相同或不同功率电平。注量调制信号可用于以数字方式调制泵浦二极管812的泵浦电流，使得激光系统光束816的平均功率对应于由激光扫描器826在SLM目标818处扫描的激光系统光束816的可变速度而变化。例如，数字调制周期的减小或相同周期内占空比的减小可引起激光系统光束816的平均功率的快速降低。沿着扫描路径扫描的激光系统光束816的可变速度或使用光束扩展器824对激光系统光束816的光斑尺寸的改变可产生SLM目标818处非期望的注量变化，从而可不利地影响成品的适用性，并且注量调制信号可用于补偿注量变化。注量调制信号还可用于以数字方式调制泵浦电流以将激光系统光束816的功率调节到对应于由变焦光束扩展器824所产生的不同光斑尺寸。在一些实施方案中，可通过公共输入端提供注量调制信号和栅极信号。在另外的实施方案中，注量调制信号可用于使用变焦光束扩展器824来调制或改变激光系统光束814的光斑尺寸以便调节激光系统光束814的平均功率。例如，可将光斑尺寸改变为对应于激光系统光束816的扫描速度变化的不同尺寸。另外，可调制光斑尺寸以便在具有不同调制周期和占空比的情况下在两个或更多个不同尺寸之间交替，从而改变激光系统光束816的平均功率。
图9示出了激光泵浦控制系统900，该激光泵浦控制系统控制串联定位在一个或多个泵浦模块904中的一个或多个泵浦二极管902A,902B(通常若干个)的光输出901A,901B。光输出901A,901B可用于直接在激光系统中诸如在所谓的直接二极管激光系统中产生激光系统加工光束，或泵浦其他增益介质以产生激光系统加工光束(例如，纤维激光器、固态激光器、盘形激光器等)。AC/DC电源906向泵浦二极管902A,902B提供电流以便产生光输出901A,901B。FPGA 908或其他类似的控制器设备(例如，PLC、PLD、CPLD、PAL、ASIC等)被定位成向DAC 910产生数字输出909，该数字输出对应于泵浦二极管902A,902B所需的泵浦电流，以便生成对应的泵浦二极管光输出901A,901B。DAC 910将来自FPGA的数字输出转换为具有对应电压的DAC输出911A，该DAC输出由AC/DC电源906接收以生成泵浦电流。
多个附加DAC输出911B-911D耦合到信号多路复用器912，该信号多路复用器被定位成选择由泵浦二极管902A,902B接收到的泵浦电流的上升时间和下降时间。信号多路复用器912耦合到RC电路电容器C和一个或多个电流控制电路914，所述一个或多个电流控制电路被定位成控制从泵浦二极管902A,902B生成光输出901A,901B的泵浦电流。例如，耦合到DAC输出911B的电阻器RB可与泵浦二极管902A,902B的更长泵浦电流上升时间相关联，电阻器RC可与更短泵浦电流上升时间相关联，并且电阻器RD可与合适的泵浦电流下降时间相关联。上升时间和下降时间通常在泵浦二极管902A,902B中是不对称的，使得具有与上升和下降相关联的不同可选电阻值，并且产生改善的响应，诸如过冲或下冲被约束的更短上升时间和下降时间。在一些示例中，使用可调电阻器，诸如数字电位器，以便允许也可用数字调制来改变的可调谐电阻值，并且产生改善的上升时间、下降时间、过冲和下冲光学响应特征。串行总线916可将来自FPGA 908的数字调制命令传送到多路复用器912，以便在不同上升时间和下降时间之间切换并且以数字方式调制泵浦电流。
电流控制电路914可包括耦合到电流传感电阻器917的一个或多个FET 915，以及提供控制反馈并且从FPGA 908接收电流设定点的一个或多个运算放大器919。包括多个并联的电流控制电路914可将电流控制电路917的相应FET 915中的热量扩散和耗散掉以便改善电流控制精度和可靠性。在典型示例中，泵浦二极管902A具有与泵浦二极管902B不同的正向电压。因此，FET两端的电压降将在泵浦二极管串之间改变。AC/DC电源906可被定位成保持对应于恒定或一致热耗散的合适FET电压。电流控制电路914的相关联的电子效率和可靠性得到改善，因为FET 915中的热耗散被分配和限制。此外，对泵浦二极管902A,902B的光输出901A,901B的总响应时间有贡献的电流控制电路917的电流控制响应特征得到改善，从而允许与电阻器RB,RC,RD相关联的更短上升时间和下降时间，以及更高数字调制频率。使用并联电流控制电路914分配电流还允许为电流传感电阻器917选择更准确的电流传感器电阻器值，从而进一步改善电流控制电路914和光输出901A,901B的响应特征。在从DAC 910的取样速率较快以及电流控制电路914的响应特征改善的情况下，可快速地切换或改变激光二极管电流。在一些示例中，可实现用于光输出901A,901B的小于或等于50μs、20μs、10μs、5μs或2.5μs的上升时间和下降时间，包括短调制周期，诸如小于100μs、50μs、20μs、10μs或5μs。
在一些实施方案中，FPGA 908从外部源的模拟输入端918接收已穿过信号调节器和ADC(未示出)的模拟信号。外部源(诸如自动化系统、计算机、计算机存储器或数据文件、手动控制、图形用户界面输入端等)被配置为基于所需的激光系统功率电平来提供模拟信号。然后可由光输出901A,901B泵浦激光系统以便实现所需的激光系统功率电平。FPGA 908还可从栅极输入端920接收栅极信号，该栅极信号可与模拟信号和提供模拟信号的外部源相关联。栅极信号通常是数字的，并且可被配置为向泵浦二极管902A,902B提供接通和断开命令，以便接通和断开对应的激光系统光束。栅极信号和模拟信号还可用于产生光输出901A,901B的任意波形。在典型示例中，协调模拟信号和栅极信号，使得激光系统光束扫描经过目标，以在不同功率电平下在目标的不同位置处选择性地加热和加工目标的材料。来自脉冲轮廓信号输入端922的脉冲轮廓还可耦合到FPGA 908以便提供外部源，以选择从泵浦二极管902A,902B生成的激光系统光束的各种特征。脉冲轮廓信息可本地或远程地存储在存储器中，或作为来自外部源的信号提供。例如，可为泵浦电流选择不同上升时间和下降时间，以及激光系统光束重复率、功率电平等。
从注量调制输入端924接收注量调制信号，该注量调制输入端还耦合到FPGA 908，并且该注量调制信号还可与模拟信号、栅极信号和脉冲轮廓协调，或其可为单独的。可提供注量调制信号以校正与将要输送到目标的激光系统光束相关联的注量偏差。例如，模拟输入端可具有有限带宽，例如原因在于通常与高频率模拟信号相关联的增大的噪声，或者带宽可能对于其他激光系统部件(诸如扫描器)的动态或将要执行的激光加工不适合。注量调制信号可用于通过以下方式补偿带宽受限的模拟信号或对应带宽受限的激光系统性能：以数字方式调制泵浦电流，以在使用光输出901A,901B所产生的激光系统光束进行的激光加工期间在目标处实现所需的注量。例如，当扫描速率减小时，FPGA 908可接收到注量调制信号，并且FPGA 908可通过串行总线916引导多路复用器912调制，以便在目标处产生所需的注量校正。
已参照所示实施方案描述和图示所公开的技术的原理，应当认识到，可以在不背离这些原理的情况下对所示实施方案进行布置和细节上的修改。例如，所示实施方案的元件可在软件或硬件中实现。另外，来自任何示例的技术可与其他示例中的任何一者或多者中所述的技术组合。应当理解，一些过程和功能(诸如参照所示示例描述的那些)可以在单个硬件或软件模块中实现，或者可提供单独的模块。提供上面的特定布置是为了便于说明，并且可使用其他布置。
根据所公开的技术的原理可以应用的许多可能的实施方案，应当认识到，所示出的实施方案仅仅是代表性示例，而不应被视为限制本公开的范围。这些部分中特别指出的替代形式仅仅是示例性的，并不构成本文所述实施方案的所有可能替代形式。例如，本文所述的系统的各个部件可以在功能和用途上组合。因此，我们要求保护落在所附权利要求的实质和范围内的所有内容。

Claims (28)

1.一种用于激光加工的方法，包括：
将激光束以可变扫描速度沿着扫描路径引导到目标；以及
在所述激光束沿着所述扫描路径的移动期间并相对于所述可变扫描速度来调节数字调制以便沿着所述扫描路径在所述目标处提供预定注量范围内的注量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字调制被选择为使得所述激光束功率的上升时间小于或等于50μs，并且所述激光束功率的下降时间小于或等于50μs。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字调制的所述调节降低激光束平均功率以便对应于扫描速率的减小，并且升高激光束平均功率以便对应于扫描速率的增加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定注量范围包括与所述目标相关联的上材料加工具体注量阈值和下材料加工具体注量阈值。
5.根据权利要求2所述的方法，还包括：
沿着所述扫描路径对所述目标处的特征进行激光图案化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字调制的所述调节包括占空比或调制周期的变化中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字调制的所述调节在具有基本上为零的连续波激光束功率的第一调制状态与具有大于零的预定激光束功率的第二调制状态之间交替。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述可变扫描速度来调节所述激光束的模拟调制。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定激光束数字调制变化，所述激光束数字调制变化对应于与所述可变扫描速度和所述预定注量范围相关联的扫描速度的至少一种变化。
10.根据权利要求1所述的方法，其中将激光束以可变扫描速度沿着扫描路径引导到目标包括：
使用变焦光束扩展器调节所述激光束的宽度以便在所述目标处提供具有可变光斑尺寸的所述激光束；
由具有z轴焦点调节光学系统和检流计扫描系统的3D扫描系统从所述变焦光束扩展器接收所述激光束；以及
在所述目标处沿着所述扫描路径扫描具有所述可变光斑尺寸的所述激光束。
11.根据权利要求10所述的方法，其中通过改变所述可变光斑尺寸并调节所述数字调制来提供所述预定注量范围内的所述注量。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述调节所述激光束的所述宽度基于所述目标处的公共平面处的不同宽度的特征。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述目标包括金属粉末，并且所述激光束选择性地熔化所述金属粉末以形成3D物体。
14.根据权利要求10所述的方法，其中通过由所述3D扫描系统所接收到的所述激光束的所述宽度的一系列调节，所述激光束在与所述预定注量范围相关联的聚焦范围内聚焦于所述目标。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定注量范围沿着所述扫描路径改变。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节所述数字调制包括在所述扫描路径的恒定速率部分期间调节所述数字调制，使得所述激光束功率改变为对应于所述预定注量范围的变化。
17.一种用于激光加工的装置，包括：
激光源，所述激光源被定位成发射激光束；
3D扫描器，所述3D扫描器被定位成接收所述激光束并且沿着扫描路径将所述激光束引导在目标处的扫描平面内；以及
激光源数字调制器，所述激光源数字调制器耦合到所述激光源以便在所述激光束扫描速率沿着所述扫描路径改变时沿着所述扫描路径在所述扫描平面处产生预定注量范围内的注量。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括变焦光束扩展器，所述变焦光束扩展器被定位成从所述激光源接收所述激光束并且改变由所述3D扫描器所接收到的所述激光束的宽度以便改变所述扫描平面内的所述激光束的聚焦激光光斑的尺寸。
19.根据权利要求17所述的装置，其中所述激光源数字调制器被定位成基于数字调制信号在两个或更多个功率电平之间以数字方式调制所述激光束，其中所述激光束的调制上升时间小于或等于50μs，并且所述激光束的调制下降时间小于或等于50μs。
20.根据权利要求17所述的装置，还包括模拟调制器，所述模拟调制器耦合到所述激光源并且被定位成基于模拟信号在两个或更多个功率电平之间调制所述激光束。
21.根据权利要求17所述的装置，其中所述数字调制包括占空比和调制周期的变化中的至少一者。
22.根据权利要求17所述的装置，还包括：
一个或多个泵浦二极管，所述一个或多个泵浦二极管被定位成产生所述激光源的相应泵浦光束；
其中所述激光源数字调制器包括上升-下降调制电路，所述上升-下降调制电路包括多个电流控制电路，所述多个电流控制电路被并联布置并且被定位成控制与所述一个或多个泵浦二极管相关联的电流，以便产生所述相应泵浦光束的光输出功率的上升时间和下降时间，所述上升时间和所述下降时间各自分别小于或等于50μs。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述上升时间和所述下降时间各自分别小于或等于5μs。
24.一种用于激光加工的方法，包括：
使激光束聚焦于聚焦场内的目标处；
以可变速率沿着扫描路径扫描所述聚焦激光束；以及
在沿着所述扫描路径的所述扫描移动期间以数字方式调制所述激光束以便沿着所述扫描路径调节由所述目标所接收到的激光束平均功率并且以便为所述目标提供高于或低于与所述目标相关联的一个或多个激光加工阈值的注量。
25.一种用于激光加工的方法，包括：
将激光束以可变扫描速度沿着扫描路径引导到目标；以及
使用变焦光束扩展器基于所述可变扫描速度来调节所述激光束的准直宽度，其中调节所述激光束的所述准直宽度以便在所述目标处提供具有可变光斑尺寸的所述激光束以及沿着所述扫描路径在所述目标处提供预定注量范围内的注量。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括基于所述可变扫描速度来调节所述激光束的数字调制。
27.一种用于激光加工的方法，包括：
使用变焦光束扩展器调节激光束的宽度以便在目标处提供具有可变光斑尺寸的所述激光束；
将所述激光束沿着扫描路径引导到所述目标；以及
相对于所述可变光斑尺寸以数字方式调制所述激光束以便沿着所述扫描路径在所述目标处提供预定注量范围内的注量。
28.根据权利要求27所述的方法，其中将所述激光束以可变扫描速率沿着扫描路径引导到所述目标，并且调节所述数字调制以便沿着所述扫描路径在所述目标处保持所述预定注量范围内的所述注量。
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