CN112955303A - 具有可寻址激光阵列和每个源的实时反馈控制的增材制造系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于将一组激光源组合成组合激光束的组件。还提供了蓝色激光二极管阵列，其组合来自蓝色激光二极管的组件的激光束。提供了激光处理操作和应用，使用来自激光二极管阵列和模块的组合蓝色激光束。

Description

具有可寻址激光阵列和每个源的实时反馈控制的增材制造 系统

本申请：(i)根据美国法典第35卷第119节(e)(1)要求2018年9月1日递交的、序列号为62/726,234的美国临时申请的申请日权益和优先权权益，该申请的全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于组合激光束的阵列组件；并且特别是，能提供高亮度激光束在制造、制作、娱乐、图形、成像、分析、监测、组装、牙科和医疗领域的系统和应用中使用的阵列组件。

背景技术

许多激光器，特别是半导体激光器，例如激光二极管，提供具有非常理想的波长和光束质量(包括亮度)的激光束。这些激光的波长可在可见光范围，UV范围，IR范围以及它们的组合中，以及更高和更低的波长。半导体激光器以及其他激光源(例如纤维激光器)的技术正在迅速发展，新的激光源不断开发出来并且提供现有的和新的激光波长。虽然具有理想的光束质量，但这些激光器中的许多激光器的激光功率都比理想的或特定应用所需的功率低。因此，这些较低功率阻止了这些激光源找到更大的实用性和商业应用。

此外，组合这些类型的激光的先前努力基本上是不够的，除其他原因外，困难在于光束对准，应用过程中难以保持光束对准，光束质量损耗，困难在于激光源的特殊放置，尺寸注意事项，以及电源管理，仅举几例而言。

使用电流计扫描仪的基于红外(IR)(例如，波长大于700nm，特别是大于1000nm)的增材制造系统存在有两个缺点(除了其他方面)，这二者限制了构建体积和构建速度。在这些IR激光系统中，构建体积受到扫描系统的有限大小以及可为给定焦距准直器和平场聚焦镜(F-theta lens)创建的光点的限制。例如，当使用140mm焦距准直器和500mm F-theta焦距透镜时，对于1μm激光，光点尺寸对于近衍射受限的单模激光大约为40μm。这样可在粉末床上提供大约175mm x 175mm的可寻址足迹，这是对能构建的部件尺寸的限制。对于IR激光系统，在构建速度上的第二个限制是粉末材料对激光束的吸收。大多数原材料对红外光谱中的波长具有中等至高的反射率。结果，红外激光能量到粉末床中的耦合受到限制，其中很大一部分能量被反射掉，向后或更深地反射到粉末床中。这些限制以某种方式进一步捆绑或链接在一起，加剧了红外增材系统的问题和不足。因此，红外光的有限穿透深度决定了最佳层厚，并且因此限制了分辨率和处理速度。基于IR的制造、构建系统和工艺的这些以及其他失败尚未得到充分解决。因此，不能满足长期以来对改进增材制造系统和工艺的需求。

如在此使用的术语“蓝色激光束”、“蓝色激光”以及“蓝色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解，并且一般指的是提供(例如传送)激光束或波长从400nm到500nm和约400nm到约500nm的光的提供激光束的系统，激光束，激光源(例如激光器和二极管激光器)。蓝色激光包括波长450nm、约450nm、460nm、约460nm。蓝色激光的带宽可从约10pm到约10nm，约5nm，约10nm，约20nm，以及更大和更小的值。

如在此使用的“UV”、“紫外”、“紫外光谱”、“光谱的紫外线部分”以及类似的术语，除非另有明确声明，否则应以其最广泛的含义来理解，并且会包括波长从约10nm到约400nm和从10nm到400nm的光。

如在此使用的术语“可见”、“可见光谱”、“光谱的可见部分”以及类似的术语，除非另有明确声明，否则应以其最广泛的含义来理解，并且会包括波长从约380nm到约750nm和从400nm到700nm的光。

如在此使用的术语“绿色激光束”、“绿色激光”以及“绿色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解，并且一般指的是提供(例如传送)激光束或波长从500nm到700nm和约500nm到约700nm的光的提供激光束的系统，激光束，激光源(例如激光器和二极管激光器)。绿色激光包括波长515nm、约515nm、550nm、约550nm。绿色激光的带宽可从约10pm到10nm，约5nm，约10nm，约20nm，以及更大和更小的值。

通常，如在此使用的术语“约”和符号“～”，除非另有指明，否则意味着涵盖±10％的方差或范围，涵盖与得到所述值相关的实验或仪器误差，并且优选地涵盖其中较大者。

如在此使用的，除非另有声明，室温为25℃。而且，标准环境温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确声明，所有取决于温度、压力或者二者的试验、试验结果、物理性质和值均为标准环境温度和压力下提供的，包括粘度。

如在此使用的，除非另有声明，在此详述数值范围仅旨在用作分别指代该范围内的每个单独值的简写方法。除非本文中另外指明，否则将范围内的每个单独的值并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述。

通常，在增材制造中采用的现有方法是使用红外激光和电流计以将液化粉末熔化和熔合到下层或基底上的焊接工艺在粉末床的整个表面扫描激光束。该方法有一些限制，这些限制决定了工艺的速度，并且工艺中有一些缺陷。例如，使用单个激光束扫描表面，构建速率会受电流计的最大扫描速度(7m/sec)限制。制造商强烈信奉红外技术，通常认为这是唯一可行的波长，因此他们为了克服此局限性而着力于(但是效果有限)通过将两个或多个红外激光/电流计集成到一系统中，两者能在其中一起工作以构建单个部件，或者能独立地工作以并行地构建部件。这些努力旨在提高增材制造系统的生产量，但仅专注于IR，取得的成功有限，无法满足长期以来对改进增材制造的需求。

IR处理中的另一限制的示例是高强度激光光点，会迫使系统进入引起飞溅和部件中孔隙度的穿透型焊接模式。例如，对于衍射受限的红外激光，用500mm平场聚焦镜，IR激光创建40-50μm级的光点尺寸。如果激光束运行于100瓦的光功率，则光束的强度大于启动穿透型焊接模式所需的强度。穿透型焊接模式会产生一股汽化材料，必须通过交叉射流将其从激光束路径中清除，否则激光束会被汽化金属散射并吸收。另外，由于穿透模式的焊接依赖于在液态金属表面上产生由汽化金属的蒸气压维持的孔，所以汽化金属能从穿透孔喷射。这种材料称为飞溅，导致熔融材料沉积在构造平面上的其他位置，这能导致最终部件中的缺陷。尽管增材制造系统的制造商在开发快速成型机方面取得了有限的成功，但他们仍无法满足长期以来的需求，无法满足批量生产商业或实际部件所需的要求。在本发明之前，本领域还没有实现为了实现这一点在对部件构图的方法上的突破。

通常，IR处理和系统的问题和失败是要求或需要以穿透型焊接模式熔合粉末。这通常是因为使用单个光束来处理粉末。如果激光束运行于100瓦的光功率，则光束的强度大于启动穿透型焊接模式所需的强度。穿透型焊接模式会产生一股汽化材料，必须通过交叉射流将其从激光束路径中清除，否则激光束会被汽化金属散射并吸收。另外，由于穿透模式的焊接依赖于在液态金属表面上产生由汽化金属的蒸气压维持的孔，所以诸如汽化金属之类的材料能从穿透孔喷射。这种材料称为飞溅，导致熔融材料沉积在构造平面上的其他位置，这能导致最终部件中的缺陷。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratories)使用光学寻址光阀(OALV)的最新工作已尝试解决这些IR限制。OALV是一种高功率空间光调制器，用于使用高功率激光创建光图案。当OALV上的图案是用蓝色LED或来自投影仪的激光源创建时，来自四个激光二极管阵列的输出功率将通过空间光调制器传输，并用于将图像加热到熔点，并需要Q开关IR激光来启动穿透焊接。在穿透型模式中使用IR激光以启动焊接，特别是在熔合铜或铝材料时。这种穿透焊接工艺会在部件上产生飞溅、多孔性以及高表面粗糙度，通常是这些材料所必需的。这种穿透焊接工艺通常会在部件上产生飞溅、多孔性以及高表面粗糙度。因此，OALV系统和典型的IR系统一样，不能消除构建工艺中穿透启动的不利影响。虽然最好完全避免穿透型焊接步骤，但是现有技术未能克服该问题，并且没有提供该解决方案。发生这种故障的主要原因是，在红外波长下，许多金属的吸收特性非常低，以至于需要高峰值功率激光来启动该工艺。由于OALV仅在光谱的IR区域中透明，因此构建或使用用可见激光源作为高能光源的这类型系统是不可行的。该系统中组件的成本非常高，特别是作为定制构件的OALV。

现有的基于金属的增材制造机器受到局限在于，它们要么是基于将粘合剂喷涂到粉末床中然后在高温下进行固结步骤，要么是基于由电流计系统在高速下扫描粉末床的高功率单模激光束。这两种系统都具有本领域无法克服的重大缺陷。第一种系统能够大规模制造由于固结工艺中部件收缩而公差宽松的部件。第二种工艺的构建速度受到电流计扫描速度的限制，其限制了能使用的最大功率级别的激光并因此限制了构建速度。基于扫描的增材制造系统的制造商已经努力通过具有多个扫描头和激光系统的构建机器来克服这一限制，而这些机器并没有为这些问题提供适当的解决方案。这确实真正提高了生产量，但是标度律是线性的，换句话说，具有两台激光扫描仪的系统制造出的部件数量只是具有一台扫描仪的系统的两倍，或者只是以两倍的速度制造单个部件。因此，亟需一种高产量的、基于激光的金属增材制造系统，该系统不受到当前可用系统的限制。

本发明的背景技术部分旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可与本发明的实施方式相关联。因此，本节中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，不应被视为对现有技术的承认。

发明内容

对于组件和系统长期存在未满足的需求(除了其他方面)在于将多个激光束源组合成单个或数个激光束，同时保持并增强所需的光束质量，例如亮度和功率。本发明通过提供在此教导和公开的制造物品、装置和过程来满足这些需求(除了其他方面)。

本发明的一种实施例是一种增材制造系统，该系统基于激光束的一维或二维阵列，能够使用精密机架系统以步进和重复能力以平行方式直接熔化粉末(图1、2、3)。通过添加一维或二维次激光束进行预热和控制冷却，可提高速度(图4)。该次激光还可为可寻址激光束阵列，以提供与正在构建的图案一致的预热图案。

本发明的实施例的另一要素是使用实时温度监测相机，例如热成像相机。该照相机可用于在粉末层从固体转变为液体时实时监测粉末层的温度，并且相机上的图像可与所应用的激光图案相关联，并且个体激光束的功率水平可根据预定要求来调整，以对印刷出的部件进行适当的熔合和冷却。这种对温度的闭环控制提供了其他好处，例如，使所制造部件的孔隙率最小化以及使表面粗糙度最优化并使部件的残余应力最小化。

在本发明的一种实施例中包括一种装置，在打印过程中沿任一方向实时沉积粉末以及压紧粉末床以使粉末床的孔隙率最小化。熔化和熔合粉末的主要机制将是传导模式焊接，而不是采用穿透模式焊接的检流计扫描系统。这种方法最大程度地减少了飞溅，并最大程度地降低了保护制造出的部件的视窗和光学器件的要求。

在一种实施例中，本发明包括用于形成无氧环境的密封外壳和用于连续清洁所使用的气体混合物的气体的再循环系统。气体混合物的过滤是必要的，因为如果不从环境中清除空气传播的粉末和焊接烟，会开始影响图像的质量，进而影响所制造部件的质量。

在一种实施例中，本发明包括微处理系统，其执行预构建分析，将部件分成多片并确定最佳构建策略。在打印每部分部件图案时，机架系统可移至图案的下一个相邻部分，或者，如果构建策略要求随机打印局部图案以使部件的残余应力最小化，其可移至任意位置。

在一种实施例中，除了简单可见相机用于在熔池扩展时观察熔池以外，本发明也不需要焊接监控器。由于并非穿透型焊接模式，因此即使在焊接铜和铝时，熔池也非常稳定，这是使用红外激光源无法实现的。红外激光源必须依靠焊接监控器，诸如光学相干断层扫描(OCT)扫描仪，以得到穿透孔的准确表示，以及部件构造怎样随着穿透模式的不稳定而进步。由于将粉末焊接到基础材料的传导模式是非常稳定的焊接模式，不会飞溅，焊接粉末的厚度和形状非常均匀，并且由于焊接过程中材料没有汽化，部件密度为100％。

因此，提供了增材制造系统、工艺和激光系统，具有一个或多个上述特征。还提供了激光系统、增材制造系统、工艺和激光系统，具有一个或多个上述特征，与以下激光系统和方法结合。

因此，提供了一种用于执行激光操作的激光系统，该系统具有：多个激光二极管组件；每个激光二极管组件具有能够沿着激光光束路径产生个体蓝色激光束的多个激光二极管；用于空间组合个体蓝色激光束以形成在远场中具有单个光点能够耦合到光纤中以传送至目标材料的组合激光束的装置；以及，用于在激光光束路径上空间上组合个体蓝色激光束并与每个激光二极管光学关联的装置。

此外，提供了具有以下一个或多个特征的方法和系统：具有至少三个激光二极管组件；并且每个激光二极管组件具有至少一个激光二极管；其中激光二极管组件能够传播总功率至少约2瓦且光束参数特性小于20mm mrad的激光束；其中光束参数特性小于15mmmrad；其中光束参数特性小于10mm mrad；其中用于空间组合的装置产生N倍于个体激光束功率密度的组合激光束；其中，N是激光二极管组件中激光二极管的数量；其中用于空间组合的装置增加了激光束的功率而保持了组合激光束的亮度；由此组合激光束的功率为至少50x个体激光束的功率，并且由此组合激光束的光束参数乘积不大于个体激光束的光束参数乘积的N倍；由此组合激光束的光束参数乘积不大于个体激光束的光束参数乘积的1.5*N倍；由此组合激光束的光束参数乘积不大于个体激光束的光束参数乘积的1*N倍；其中用于空间组合的装置增加了复合激光束的功率密度而保持了个体激光束的亮度；由此组合激光束的功率密度至少是个体激光束的功率的100倍，并且由此组合激光束的光束参数乘积不大于个体激光束的光束参数乘积的2*N倍；由此组合激光束的光束参数乘积不大于个体激光束的光束参数乘积的1.5*N倍；由此组合激光束的光束参数乘积不大于个体激光束的光束参数乘积的1*N倍；其中光纤是耐日晒的；其中用于空间组合的装置具有光学组件，选自对齐面平行板和楔形组成的群组，以校正激光二极管的位置误差或指向误差中的至少一个；其中用于空间组合的装置具有偏振光束组合器，该偏振光束组合器能够超过个体激光束提高组合激光束的有效亮度；其中激光二极管组件限定了个体激光光束路径，每个路径之间具有间隔，由此个体激光束在每个光束之间具有间隔；并且其中用于空间组合的装置具有用于在激光二极管的快轴上准直个体激光束的准直器，用于组合经准直的激光束的周期性镜，其中该周期性镜配置为在激光二极管组件中从第一二极管反射第一激光束并在激光二极管组件中从第二二极管传输第二激光束，由此填充快方向上个体激光束之间的空间；其中用于空间组合的装置在玻璃基底上具有图案化镜；其中玻璃基底的厚度足以使激光束的垂直位置从激光二极管转移以填充激光二极管之间的空白空间；并且，具有阶梯状散热器。

还提供了一种用于提供高亮度、高功率激光束的激光系统，该系统具有：多个激光二极管组件；每个激光二极管组件具有能够产生具有初始亮度的蓝色激光束的多个激光二极管；用于空间组合蓝色激光束以形成具有最终亮度并在远场中形成单个光点能够耦合到光纤中的组合激光束的装置；其中每个激光二极管被外腔锁定到不同的波长，以实质上增加组合激光束的亮度，由此组合激光束的最终亮度与来自单个激光二极管的激光束的初始亮度大约相同。

此外，提供了具有以下一个或多个特征的方法和系统：其中每个激光二极管使用基于光栅的外腔被锁定到单个波长，并且每个激光二极管组件使用组合装置被组合为组合光束，组合装置选自由窄间距滤光器和光栅组成的群组；其中拉曼转换器是具有纯熔融石英纤芯以产生较高亮度源并具有外纤芯由空气或低折射率聚合物包围以包含蓝色泵浦光的光纤；其中拉曼转换器用于泵浦拉曼转换器，例如具有掺有GeO₂的中央纤芯具有外纤芯以创建更高亮度源并且外纤芯大于中央纤芯以包含蓝色泵浦光的光纤；其中拉曼转换器是具有掺有P₂O₅的纤芯以创建更高亮度源并且具有外纤芯大于中央纤芯以包含蓝色泵浦光的光纤；其中拉曼转换器是具有渐变折射率的纤芯以创建更高亮度源并且具有比中央纤芯更大的外纤芯以包含蓝色泵浦光的光纤；其中拉曼转换器为渐变折射率的掺有GeO₂的纤芯和外阶跃折射率纤芯；其中拉曼转换器用于泵浦拉曼转换器光纤，该拉曼转换器光纤是渐变折射率的掺有P₂O₅的纤芯和外阶跃折射率纤芯；其中拉曼转换器用于泵浦拉曼转换器光纤，该拉曼转换器光纤为渐变折射率的掺有GeO₂的纤芯；其中拉曼转换器是渐变折射率的掺有P₂O₅的纤芯和外阶跃折射率纤芯；其中拉曼转换器为金刚石以产生更高亮度激光源；其中拉曼转换器为KGW以产生更高亮度激光源；其中拉曼转换器为YVO₄以产生更高亮度激光源；其中拉曼转换器是Ba(NO₃)₂以产生更高亮度激光源；以及，其中拉曼转换器为高压气体以产生更高亮度激光源。

还提供了一种用于执行激光操作的激光系统，该系统具有：多个激光二极管组件；每个激光二极管组件具有能够沿着激光光束路径产生蓝色激光束的多个激光二极管；用于空间组合蓝色激光束以形成在远场中具有单个光点能光学耦合到拉曼转换器的组合激光束的装置，以泵浦拉曼转换器，以提高组合激光束的亮度。

另外，提供了一种提供组合激光束的方法，该方法具有经拉曼转换的激光的阵列以产生各个不同波长的蓝色激光束并组合激光束以创建更高的功率，而保留初始光源的空间亮度。

还提供了一种用于执行激光操作的激光系统，该系统具有：多个激光二极管组件；每个激光二极管组件具有能够沿着激光光束路径产生蓝色激光束的多个激光二极管；沿着激光光束路径的光束准直和组合光学器件，其中能够提供经组合的激光束；以及用于接收经组合的激光束的光纤。

此外，提供了具有以下一个或多个特征的方法和系统：其中光纤与掺有稀土的纤维光学连通，由此组合激光束能够泵浦掺有稀土的纤维以创建更高亮度的激光源；以及，其中光纤与亮度转换器的外纤芯光学连通，由此组合激光束能够泵浦亮度转换器的外纤芯以创建更高比例的亮度增强。

还提供了一种拉曼纤维，具有：双芯，其中，双芯之一是高亮度中央纤芯；以及，一种装置，选自滤波器、光纤布拉格光栅组成的群组，以抑制高亮度中央纤芯中二阶拉曼信号，一阶和二阶拉曼信号的V数差异，由于光纤长度或腔镜造成的一阶和二阶拉曼信号的往返增益的差异，以及微弯损耗差异。

另外，提供了一种二次谐波生成系统，该系统具有：拉曼转换器在第一波长以生成在非线性晶体中为第一波长的一半波长的光；以及配置成防止半波长光传播通过光纤的外腔谐振倍频晶体。

此外，提供了具有以下一个或多个特征的方法和系统：其中第一波长为约460nm；并且外腔谐振倍频晶体为KTP；以及，其中拉曼转换器具有构造以提高拉曼转换效率的非圆形外纤芯。

此外，提供了一种三次谐波生成系统，该系统具有：拉曼转换器在第一波长以生成在比第一波长低的第二波长的光；以及配置成防止较低波长的光传播通过光纤的外腔谐振倍频晶体。

此外，提供了一种四次谐波生成系统，该系统具有：拉曼转换器以产生57.5nm的光，使用配置成防止57.5nm波长的光传播通过光纤的外腔谐振倍频晶体。

此外，提供了二次谐波生成系统，该系统具有在450nm由蓝色激光二极管阵列泵浦时在473nm发射激光的具有铥的掺有稀土的亮度转换器，以生成在源激光的一半波长或236.5nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

此外，提供了一种三次谐波生成系统，该系统具有在450nm由蓝色激光二极管阵列泵浦时在473nm发射激光的具有铥的掺有稀土的亮度转换器，以生成在118.25nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

进一步提供了一种四次谐波生成系统，该系统具有在450nm由蓝色激光二极管阵列泵浦时在473nm发射激光的具有铥的掺有稀土的亮度转换器，以生成在59.1nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

此外，还提供了一种用于执行激光操作的激光系统，该系统具有：至少三个激光二极管组件；至少激光二极管组件中的每一个具有至少十个激光二极管，其中，至少十个激光二极管中的每一个能够产生沿着激光光束路径的蓝色激光束，具有至少约2瓦的功率和小于8mm-mrad的光束参数乘积，其中每个激光光束路径基本上是平行的，由此在沿着激光光束路径行进的激光束之间限定出空间；用于空间组合并保留位于所有至少三十个激光光束路径上的蓝色激光束的亮度的装置，该用于空间组合并保留亮度的装置具有用于激光束的第一轴的准直镜，用于激光束的第二轴的垂直棱镜阵列，以及望远镜；由此，用于空间组合并保留的装置用激光能量填充激光束之间的空间，从而提供功率至少约600瓦并且光束参数乘积小于44mm-mrad的组合激光束。

还提供了一种可寻址阵列激光处理系统，该可寻址阵列激光处理系统具有：至少三个目前所述类型的激光系统；至少三个激光系统中的每一个被配置为将它们的每个组合激光束耦合到单个光纤中；由此至少三个组合激光束中的每一个都能够沿着其耦合的光纤传输；与激光头光学关联的至少三根光纤；以及控制系统；其中控制系统具有程序，该程序具有预定的顺序用于传送目标材料上预定位置处的每个组合激光束。

此外，提供了用于具有以下一个或多个特征的可寻址阵列的方法和系统：其中，预定的顺序用于分别开启和关闭来自激光头的激光束，从而成像到粉末床上以熔化和熔合具有粉末的目标材料成为部件；其中激光头中的纤维构造成选自线性、非线性、圆形、菱形、正方形、三角形和六边形组成的群组；其中激光头中的光纤配置成选自由2x5、5x2、4x5，至少5x至少5、10x5、5x10和3x4组成的群组的配置；其中目标材料具有粉末床；并且，具有：x-y运动系统，该系统能够在整个粉末床上传送激光头，从而熔化和熔合粉末床；粉末输送系统，其可以在激光源后面移动，以在熔化的层的后面提供新鲜的粉末层；具有：z-运动系统，能够传送激光头以在粉末床表面上方增加和减小激光头的高度；具有：双向粉末放置装置，在沿正x方向或负x方向行进时，能够将粉末直接放置在所输送的激光束后面；具有与多个激光光束路径同轴的粉末供给系统；具有重力供给粉末系统；具有粉末供给系统，其中粉末夹带于惰性气流中；具有粉末供给系统，该粉末供给系统横向于N个激光束，其中N≥1，并且通过重力将粉末放置在激光束前方；以及，具有粉末供给系统，该粉末供给系统横向于N个激光束，其中N≥1，并且粉末被夹带在与激光束相交的惰性气流中。

更进一步地，提供了一种提供具有高亮度的组合蓝色激光束的方法，该方法具有：操作多个拉曼转换的激光以提供多个个体蓝色激光束，并将个体蓝色激光束组合，以创建更高功率源而保留初始光源的空间亮度；其中，多个激光束中的个体激光束具有不同波长。

此外，提供了一种激光处理目标材料的方法，该方法具有可寻址阵列激光处理系统，该系统具有至少三个当前所述系统类型的激光系统，以将三个个体组合激光束生成为三个个体光纤；将每个组合激光束沿着其光纤传输到激光头；将来自激光头的三个个体组合激光束以预定顺序引导到目标材料上的预定位置。

附图说明

图1为根据本发明的基于纤维阵列的三维打印机的一实施方式的立体图。

图2A为根据本发明的基于纤维的打印头的一实施方式的立体图。

图2B为从另一视角看图2A的基于纤维的打印头的的立体图。

图3为根据本发明的光学线束的一实施方式以及光束路径的示意性图形描绘。

图4A为根据本发明的一维图案化系统的光纤束的一维线束连接器输出的一实施方式的立体图。

图4B是根据本发明的光纤组合器的一实施方式的立体图。

图5A是根据本发明的具有次激光热源和主一维图案化系统的三维打印机头的一实施方式的示意图。

图5B是根据本发明的次激光图案和多光点主图像的重叠图像的一实施方式的立体图。

图6A是根据本发明的具有次激光热源和主一维图案化系统的三维打印机头的一实施方式的示意图。

图6B是根据本发明的次激光图案和多光点主图像的重叠图像的一实施方式的立体图。

图7A是根据本发明的具有一维主多光点图像和基于用于主图像的激光二极管阵列的次加热图像的打印机头的一实施方式的示意图。

图7B是根据本发明的次激光图案和多光点主图像的重叠图像的一实施方式的立体图。

图8A-8F是根据本发明的粉末床上的光纤束图像配置(例如，形成激光束图案的激光束，或激光图案)的各种实施方式的平面图，其箭头示出了粉末床上图案的移动方向。

图9A-图9F为根据本发明的粉末床上的纤维束图像构造(例如，形成激光束图案的激光束，或激光图案)的各种实施方式的平面图，其中主激光束图像与次激光束图像相关联，其箭头表示粉末床上两图案的运动方向。(主图像光点显示为实心点，次图像光点显示为轮廓点。)

图10A-10F是根据本发明的粉末床上纤维束图像构造(例如，形成激光束图案的激光束，或激光图案)的各种实施方式的平面图，其中主激光束图像与次激光束图像相关联，并且次激光束具有产生不同形状次图像的不同定时特征，其中箭头示出了两图案在粉末床上的运动方向。(主图像光点显示为实心点，次图像光点显示为轮廓点。)

图11是根据本发明将粉末床上的图像映射到热成像相机上的示意性平面图。

图12是根据本发明的控制系统和闭环控制过程的实施方式的示意图。

图13是根据本发明的蓝色拉曼转换激光束的图像和光谱。

具体实施方式

本发明涉及材料的激光处理，特别是包括使用波长从约350nm到700nm的激光束的激光增材制造工艺的激光构建材料。

1D图案化系统

图1是3D(三维)增材制造装置或打印机装置100的立体图。打印机装置100的纤维构造为打印头为1D(一维)纤维构造。该1D系统可具有以线性方式布置的引入光纤，例如如图2A和图2B所示，并且具有光线路径、图像和光学器件，例如如图3所示。

因此，图1-图3为使用1D图案化系统的3D打印机的示例，其中1D指的是提供和发射激光束用于构建3D物体的光纤束的构造。

首先参见图1，但是在图2A、图2B和图3的背景下，系统100主要包括x-y机架系统101，其沿着x和y方向移动打印头200。机架系统位于基座112上，其可由花岗岩或金属制成，或者优选地由重的、稳定的以及二者兼有的其他材料制成。基座可使用橡胶或空气支撑与系统的其余部分在下面隔开振动，以防止振动从基座传到粉末床110和打印机头200。整个系统100可封闭在气密环境(图中未示出)中，为粉末处理提供惰性气氛。惰性气氛可为氩气、氮气、氦气或除氧气以外的任何其他惰性气体。惰性气氛处于减压、大气压或加压下，并且许多为流动通过(流入和流出端口)，流入(即流入的补充气体，但没有流出)或不流动(填充惰性气体之后关闭了输入和输出)。优选的实施方式是氩以及氩-CO₂混合物，以通过破坏它们的表面张力来促进熔融粉末的流动。机架台承载打印机头200，并且光纤阵列束通过QBH型连接器102传送到打印机头200。粉末床110恰好位于打印机头下方，其中由光纤束或阵列传输的图像在粉末床110上重新成像103。粉末由双向粉末散布器108散布，该粉末散布器靠在一对线性轨道109上进行精确运动。通过机架系统101的Y平移台106的y运动，或通过集成在粉末撒布机组件中的单独的电动机，可移动粉末散布器。在基座112的边缘处粉末在前部和后部都被加载到粉末散布器中，并且粉末通过重力进给被输送到粉末床。粉末散布器包括辊子107，沿与运动相反的方向旋转以散布和加压粉末床。通过加压粉末床，最终部件的孔隙率可降至最低。当机架沿y方向移动时，电源和传感器读数将通过机架侧面的柔性电缆桥架105按路径发送。

机架系统101具有Y平移台106用于打印头220沿着y方向的移动；并具有Z平移台111用于打印头220沿着x方向的移动。系统100具有粉末床升降器104(用于在部件被建造时向下移动部件以允许下一层沉积到部件上)。

图2A和图2B中示出了打印机头200的一优选实施方式。图2A和图2B是相同实施方式在不同的视角的立体图，应理解的是，通常打印头会被覆盖，或设置有前板，这在图中并未示出。光纤束具有2、3、4、5、6、2-10以及这些的组合以及更大的数量，布置成一行，优选地为直线。光纤束通过QBH连接器201传送。QBH连接器201通过夹头202固定在位置上，该夹头202安装在打印头200的壳体203上。光学系统主要由准直镜204和聚焦镜205组成。这两种光学器件可由单个假想(imagine)光学器件代替。激光束从纤维210的表面发射，并且激光束沿着激光束路径行进到透镜204、透镜205，然后离开窗口209以形成图像103。除了光学系统之外，打印机头200还可装有热成像或高温计相机207，经由用于多点图像103的开口或窗口208，在粉末床上，监测熔池的温度。

参见图3，示出了1D光学系统300的一实施方式及其激光束路径的光线轨迹的示意图。例如，该1D光学系统可在打印头200中使用。光纤束301具有5条光纤301a、301b、301c、301d、301e，沿直线排列，并提供沿着具有光线路径305的光束路径的输出激光束，该输出由透镜302准直，该透镜可为平凸透镜、平凸非球面透镜、一对透镜、三重透镜或类似类型的光学器件。接着，来自具有光线路径307的阵列线束的经准直的光束通过聚焦透镜303聚焦到具有一系列光点304a、304b、304c、304d、304e的图像304，该聚焦透镜303可为平凸透镜、平凸非球面透镜、一对透镜、三重透镜或类似类型的光学器件。纤维的尺寸由标度320示出，图像和光点的尺寸由标度321示出。平凸透镜和平非球面透镜的弯曲表面彼此面对以使系统的球面像差最小化。图3中示出的光线轨迹是用于两个熔融石英平面非球面透镜的。光点在焦平面或傅立叶变换平面上，并且由于系统中的小像差，图像会稍有散布，从而导致各光纤图像重叠，即光点304a、304b、304c、304d、304e，其构成图像304。该系统还可使用单个成像透镜，这里纤维源301的发射面将置于距成像光学器件至少2f远，并且图像平面将距相同光学器件至少2f远。与使用准直透镜和聚焦透镜使光纤束重新成像的优选实施方式相比，该方法将需要实质上更大的透镜。对于多点图像中的每个单独点，热成像或高温计相机优选地监测粉末床上熔池的温度。

在1D图案化系统的实施方式中，一维线发射器，例如纤维面，可为2、3、4...n，完全取决于纤维和QBH连接器的物理尺寸。在一种实施方式中，存在单根纤维。在一种实施方式中，2到15，2到10，5到50，2到1000，5到500，100到2000，10个以上，20个以上，50个以上，以及这些的组合和变化，以及更大和更小数量的纤维放置成，例如并排。因此，可使用直径例如为200μm的纤维(芯直径例如从约10至约185μm)，以及他们的光束和光束图案重新成像到粉末床上，以提供将粉末熔融到基材料中的能量。

参见图4A，示出了QBH型线束连接器输出700的实施方式的立体图。该连接器输出700具有五根光纤701，排成直线，以提供五个激光束发射器及其图像，例如圆形光点。连接器输出700具有容纳五根光纤的机械QBH输入702。该输入702可插入例如打印机头或组合组件中，例如，图4B所示的类型。连接器输出700具有保护罩703，该保护罩703覆盖光纤，并且具有断路传感器。

图4B中示出了光纤束组合器的实施方式的示例。在这种情况下，组合器806是具有输入光纤801、802、803、804、805的自由空间组合器，在组合并重新聚焦到输出光纤束807之前先开始进行准直，接着其由光纤传输到例如输出连接器，打印机头。光纤束从每个单独的光纤801、802、803、804、805接收电力，然后重新成像到粉末床上。来自每根光纤的功率可为大约2瓦(W)，10W，100W，大约150W，大约500W，大约1kW，大约2kW，从大约1W到大约2kW，从大约2W到大约150W，从大约250W至大约1kW，或数千瓦，以及这些的组合和变化，例如取决于机架系统能扫描的速度多快以及光纤束图像的尺寸。

图8A、图8B、图8C、图8D、图8E、图8F中示出了能通过一维光纤束构造和打印机头生成的一维激光图像图案(例如，多光点图像)的各种实施方式的示例。图案在粉末床上的运动方向由箭头表示。这些激光图案可用以根据本发明的增材制造系统、打印机头和方法的任意实施方式。

多光点图像中的光点可为圆形、椭圆形、正方形、矩形和其他形状；它们可为相连的、相邻的、重叠的、部分重叠的；它们可为线性的、直线、曲线、交错的、成形成较大区域(例如正方形或矩形)的图案；以及，这些的组合和变体以及其他构造和布置。这些激光图案可用以根据本发明的增材制造系统、打印机头和方法的任意实施方式。

通过在整个粉末床上扫描光纤束的一维图像，部件被打印出。高功率光纤输出的一维图像在y轴上通过机架系统被扫描并在x轴上步进跨过以重复图案。步进跨过可毗邻轨道恰好打印机，也可根据最终部件中所需的应力图案而为随机变化的。打印后，位于粉末床下方的粉末床升降器使粉末床下降预定的量(例如，约40μm，约50μm，约60μm，从约35μm到约65μm，以及这些的组合和更大和更小的距离)，粉末散布器将均匀层的粉末化金属铺开，辊子压紧粉末床以减小粉末的孔隙率。在为下一层准备好粉末床之后，打印下一层，在其整个表面上扫描一维光纤束的图像。

光纤系统也可由单独的激光二极管代替，但是由于打印头的尺寸以及驱动单独的激光二极管所需的复杂电子设备，这不是优选的实施方式。单独的激光二极管可为可寻址激光二极管阵列条的一部分，在这种情况下，单独的激光二极管都是连续条组件的一部分，具有单独的电流驱动能力。这对于每个发射器功率有限的光纤方法是一个很好的选择。

带有次激光的1D图案化系统

在一种实施方式中，添加额外的激光束或第二激光束到打印头以提供预热、控制冷却和控制打印出的图像的温度的手段。次激光束也可称为加热束；而用于熔化和熔合粉末以形成物体的主激光束可称为构建激光和构建激光束。

图5A中示出了具有主激光束和次激光束的打印头的实施方式。提供主激光束并在粉末床上创建主图像409(可为多光点图像)的光纤束由QBH连接器401传送，并通过夹头402安装在打印头400上。用于主图像409的光束路径和光束传输的光学系统主要包括透镜405以准直光纤束的输出。接着，经准直的输出通过聚焦透镜406聚焦到粉末床上作为主409。该光学系统类似于先前的描述，其中透镜可为平凸透镜、平凸非球面透镜、成对透镜或三重透镜。第二激光束通过由QBH连接器403传送的光学纤维被引入打印头400中，该QBH连接器403通过夹头404安装在打印头上。透镜407用于准直光纤的输出。透镜407可为平凸透镜、平凸非球面透镜、成对透镜或三重透镜。在高功率级下，成对透镜或三重透镜必须空气间隔开，因为大多数胶合剂都无法承受高功率级。然后，经准直的光束通过透镜或微透镜系统408被变换并聚焦到粉末床上，其将光束成形为次图像并将其重导向成与主图像409重叠。图5B示出了这些重叠图像的一种实施方式。重叠图像450可为具有主光点411、412、413、414、415的主多光点图像451，这些光点是从主光纤束中的主纤维传播的。主光点与经变换的次激光束的次图像410相组合。优选地，次图像加热了一定体积的粉末420。在该实施方式中，次激光束被定位成恰好在如箭头416所示沿着“y”方向平移的一维图案451的前面沉积其大部分能量。主图案451和次图案410二者以相同的速率并且沿着相同的方向416移动。该次光束图案，预热粉末，帮助光纤束的图像熔化粉末并将其熔合到基底上，并在熔合后提供一些热量以使材料退火，从而降低正被打印的部件中的内部应力。系统其余功能如前部分所述，其中系统中集成了热成像相机或高温计阵列，以向激光系统提供反馈，以使刚好在主光纤束图像451前方的粉末保持在预定温度，优选地是刚好低于粉末的熔点。在熔合过程中，来自热成像相机或高温计阵列的反馈信号用于控制次激光的功率、创建图像451的光纤束中的单独的激光的功率、以及二者，以在光纤束的图像中创建预定的粉末温度。系统中使用的预定粉末温度将首先以系统凭经验确定并用作所有构建的准则来使表面粗糙度、部件孔隙率和部件尺寸最小化。次激光源可为50W，100W，150W，500W，1000W，从约50W至约2kW，从约250W至约1kW，以及数千瓦，以及这些范围中的所有值，例如取决于打印头的扫描速度和使用中的光纤阵列图案的面积。

参见图6A和图6B，示出了激光头500的立体图，该激光头500提供了次图像552和主图像551的组合图像509，其中，次光纤束激光源二者都在粉末床上提供了可寻址热图案。图6阐述了次光纤束的使用，其中光纤束通过连接器503附接，连接器503通过夹头504附接至打印机头500。主光纤束通过连接器501和夹头502附接至打印机头500，并具有准直透镜505和傅立叶变换聚焦透镜506。透镜507准直光纤束，光束变换系统508创建次光纤束的n个图像，该n个图像能被单独地控制以形成图像552，图像552在此实施方式中具有与经加热的粉末床中一定体积的粉末相对应的图像516、517、518、519、520。通过控制每个次激光源开启和关闭的时间，可以使每个相应体积的预热和冷却特征改变成图像516-520。在图5B的实施方式中，提供在外的次图像516、520的两条外纤维被同时开启和关闭以预热图案的外边缘。然后紧接着提供图像517、519的两条内纤维开启，以允许来自外纤维的热集聚透入内区域中，因为由于两外纤维的热量，内区域所需的能量较少。中央次光纤图像518甚至需要更少的能量，因此该光源稍后以较低的功率级开启并且较迟关闭以提供热量使与激光光点513对应的一个区域或与激光光点511-515(形成主多光点图像551)对应的整个区域退火，这取决于材料的热导率和部件的设计。每个次光纤可传送30瓦，100瓦，150瓦，从大约50瓦到大约2kW，从大约250瓦到大约1kW以及数千瓦的功率以及这些范围内的所有值，例如取决于打印头的扫描速度和加热图案的尺寸。

参见图7A和图7B，示出了激光打印头600的立体图，该激光打印头600提供主多光点激光束图像608和次激光束图像609，该主多光点激光束图像608具有光点610、611、612、613、614，该次激光束图像609与图像608重叠并且加热一定体积651的粉末。主激光源是二极管阵列601(其能提供一维图案或二维图案)，主激光束路径离开阵列601并进入第一光束变换光学器件604，然后进入第二光束变换光学器件605，以在粉末床的表面上形成图像608(其为一维图案)。次激光具有通过连接器603和夹头603连接到打印机头600的光纤或光纤束。次激光束路径从光纤或光纤束行进到准直透镜606，然后到光束变换光学器件607以成形次激光束图像609并使其与主激光束图像608重叠。箭头615示出了激光束的行进方向以及它们相对于粉末床的各图像。

在图7A和7B的实施方式中，可寻址激光二极管阵列源在粉末床上产生可寻址热图案。可寻址激光二极管阵列源601的每个发射器可为3瓦、10瓦或更高，受到二极管阵列技术的限制。激光二极管的单独的功率级本身不足以熔化许多金属材料，因此使用可寻址激光二极管的任何设计都需要由连接器602中的光纤或光纤束提供的次热源或激光源。可使用经加热的粉末床或次激光源。在此，次激光源用于提供图像609，以将体积651的粉末预热到刚刚低于熔点，激光二极管阵列608的图像用于将粉末熔化并熔合到它下面的材料。次激光源可为单根光纤、光纤束，通过连接器602和夹头603连接到打印机头600，或者次激光源可为经过准直和重新成像以形成单图像609或一系列图像的另一激光二极管阵列，诸如图6A的实施方式中所示的。激光二极管阵列的优选实施方式是蓝色激光二极管源，因为吸收比红外激光二极管源增强。可在直激光二极管阵列源中使用的1D图案最有可能是图8B和图8D的实施方式，其中在任何设计中都必须考虑二极管之间的间隔，然而，可使用变换图像的光学器件来创建图8A-图8A的实施方式的任何图像。

形成主激光束图案的一个或多个或全部主激光束可完全在次激光图案的区域中、部分地在次激光图案的区域中、完全在第二激光束图案的区域外，以及这些的组合和变化。在实施方式中，主激光束图案和次激光束图案的移动可为沿相同方向以相同速度、沿相同方向以不同速度(例如，主激光束图案更快或次激光束图案更快)以及沿不同方向以相同或不同速度)以及这些的组合和变化。主激光束和次激光束也可以以独立的预定图案移动，以构建特定类型的物品或提供特定类型的特征以构建物品。

主激光束图案可具有一个、两个、三个、四个、或更多个、以及数十个或更多个激光束。次激光束图案可为单光束，也可为多个激光束，或者可为多个重叠的激光束，以及这些的组合和变化。

主激光束的横截面可为圆形、椭圆形或正方形或其他形状。主激光束图案可成线性布置，成正方形构造，成矩形构造，成圆形构造，成椭圆形构造，成抛物线构造(相对于图案的运动为凸形或凹形)，成弓形构造(相对于图案的运动是凸形或凹形)，箭头或“V”形构造，菱形构造，以及其他几何图案和构造以及这些的组合和变化。

在一种实施方式中，次图案可为来自通过空间光调制器成像的高强度可见光，UV或IR灯，或者来自通过空间光调制器成像的高功率激光或以一维或二维图案排列的范围从1到N个光源的激光阵列。次激光阵列可为激光二极管阵列或连接到单独的激光系统的光纤阵列。

2D图案化系统

一种优选实施方式是在打印金属部件时使用二维(2D)光纤束或激光阵列作为热源或能源。图8D-图8F的实施方式中示出了一些2D光纤束的示例，以及它们生成的激光图案或多光点图像。图8F是由正方形或矩形光纤的阵列或成形光束以提供这些光点的其他光学器件形成的正方形光点的图像。在一种实施方式中，从一维图案化系统到二维图案化系统实施方式的变化在于，在打印机头中添加了更多行纤维(将图8C与图8E相比较)和由于可寻址区域更大得到打印速度更快的能力。这些2D源可具有3瓦，10瓦，20瓦，100瓦，150瓦，从约50瓦至约2kW，从约250瓦至约1kW和数千瓦的单独的激光功率级，取决于打印机系统的扫描速度和所打印图案的尺寸。

2D图案化系统还可与单个次激光源、次激光源的阵列或成线束的次激光源以及这些的组合和变体相组合，以提供能量来预热或控制正在打印的图案的冷却。在实施方式中，粉末床上的高功率图像可被单个次激光覆盖。参见图9A至9F，示出了主图像和副图像的合成图像的实施方式的平面图。每个图中通过箭头示出了主光束图案和次光束图案二者的移动方向。

图9A示出了一种实施方式，直线1D多光点主图像与运动方向成一定角度并且完全在圆形次图像中。

图9B示出了一种实施方式，主图像是倾斜阵列一维图像，其中每个光点之间的死角空间由光点的倾斜角补偿，单个次图像是由次激光源提供的用于在熔合前预热粉末。在该实施方式中，次图像与主光束图案相邻但不重叠。

图9C示出了一种实施方式，简单线性阵列主图像与矩形次激光图像重叠，以提供预热和用于在构建顺序全程控制温度的后熔合能量。

图9D示出了一种实施方式，间隔的2D阵列图案再次由单个椭圆形次激光光点重叠，以提供对给定扫描速度所需的能量，以使粉末的温度刚好低于熔融温度并提供用于在焊接后使材料退火的手段。

图9E一种实施方式，来自密集纤维阵列的2D主图像再次具有与主图像相邻并在其之前的来自次激光源的单个预热束图像。

图9F示出了来自相邻的正方形纤维的密集阵列的2D主图像的一种实施方式。在一种实施方式中，正方形被重叠以使处理间隙最小化。这种密集的阵列图案由意图预热粉末的次激光源重叠，在熔融和粘合过程中提供额外的能量，并最终在融合和熔合步骤之后提供一些温度控制。

图9A至9F中的实施方式的次图像图案的这些次激光源，以及在次激光图案和图像的其他实施方式中的，可为大约2瓦，大约3瓦，大约10瓦，大约20瓦，大约50瓦，大约100瓦，大约150瓦，从大约50瓦至大约2kW，从大约10瓦至大约200W，从大约50瓦至大约500W，从大约250瓦至大约1kW和数千瓦，例如取决于打印头的扫描速度、主激光束的功率以及被加热区域的尺寸。

将光纤束状的主激光源与光纤束状的次光源组合在一起使得在构建物体的过程中改变预热和冷却温度周期是可行的。因此，预热和冷却处理周期能被改变，例如适应于构建物品在被构建时的状况。通过这种方式，关于构建物品的特性的信息，例如温度、粗糙度、密度、发射或反射的光的光谱，用于改变和调整次光纤激光束的特性，例如开启时间和功率，从而调整次图像相对于主图像、物品的构建以及二者“飞起”。图10A-10F示出了在将可寻址激光图像图案与可寻址次预热图案重叠时可能的不同配置和定时效果。激光预热的另一个优点是省去了需要消耗大量的能量来加热整个床或腔室的麻烦。

温度控制系统

在本发明之前，已有的增材制造系统以开环方式运行，这样不能精确地控制打印质量。这是这些现有系统的重大缺陷，而这正是本发明的实施例所解决和改进的。在本发明的实施例中，使用反馈回路来精确地控制每一个1D或2D图案以及次激光图案和传递这些图案的粉末床中的温度。这种反馈回路具有许多优点，例如包括，与开环系统能实现的相比，构建出的零件将具有更低的孔隙率、更低的缺陷以及更好的表面粗糙度。由于机架系统与基于电流计的系统相比行进速度相对较低，因此测量打印图案中在每个点的粉末床温度并将激光寻址打印图案的该区域的功率设置实时更改到更优化的设置是可行的，在打印过程中，例如“飞起中”，基于物品在其构建过程中的温度曲线调整打印过程。在一种实施方式中，粉末床的温度曲线按激光光点基础在激光光点上监测和控制，然后调整激光光点的功率、定时以及二者以控制物品的构建过程。图11示出了光纤束的图像1101怎样能重新成像1103到相机传感器阵列1102上。然后，用于读取传感器阵列的软件能识别经加热的区域并提供每个区域的平均温度。如果激光源都具有相同的功率，那么中央像素的读数将比输出像素的温度高得多，并且到内部光源的功率可减小，直到获得均匀的温度曲线为止。这使得粉末的熔化和熔合保持在最佳温度范围内。这不仅适用于二维光纤束图像，而且适用于一维光纤束图像。一旦测量了区域的温度，如图12所示，就计算1204-1210命令信号的序列，增加或减小到每个区域的功率，直到获得均匀的或预定的最佳温度曲线。因此，粉末床上的阵列或光纤束的图像1201成像到装置上以接收分析图像，例如传感器，诸如FLIR相机之类的相机。这提供了按像素基础在像素上的温度轮廓的矩阵1202。处理器(例如计算机、微处理器)通过将控制信号1204-1210发送到与单独的光纤或这些激光产生的图像相关联的激光，相对于构建程序插入和转换来自矩阵1202的温度曲线，并调整激光功率以满足构建策略。通过这种方式，逐个光点地提供激光束的飞行调整和构建轮廓。而且，通过向激光源提供实时反馈信号，在粉末未适当熔化的情况下，则增加到该区域的功率以增加其适当熔化的可能性是可行的。这将发生在粉末直径变化较大的区域中，与小直径粉末相比，大直径粉末需要更多能量来熔化。防止小直径粉末汽化也是至关重要的，因此可使用温度实时反馈到激光源，以拨入足以熔化大粉末颗粒但不足以汽化小粉末颗粒的平均区域温度。

表I列出了本系统和方法的实施方式的系统、处理、配置和方法的示例。

表I

此外，并且在本发明的一般实施方式中，涉及激光束的组合、用于进行这些组合的系统以及利用组合光束的过程。特别地，本发明涉及用于将来自多个激光束源的激光束组合成一个或多个组合激光束的阵列、组件和装置。这些组合激光束优选地具有来自各个源的激光束的保留的、增强的以及二者兼有的各种方面和特性。

本阵列组件的实施方式以及它们提供的组合激光束能找到广泛的应用性。本阵列组件的实施方式是紧凑且耐用的。本阵列组件的实施方式在以下中具有应用性：焊接，增材制造(包括3D打印)；增材制造–研磨系统，例如增材制造和减材制造；天文学；气象学；成像；投影，包括娱乐；以及医药，包括牙科，仅举几例而言。

尽管本说明书集中在蓝色激光二极管阵列上，但是应当理解，该实施方式仅说明了本发明所考虑的阵列组件、系统、过程和组合激光束的类型。因此，本发明的实施方式包括用于组合来自各种激光束源的激光束的阵列组件，所述各种激光束源诸如固态激光器，光纤激光器，半导体激光器以及其他类型的激光器及其它们的组合和变化。本发明的实施方式包括所有波长的激光束的组合，例如激光束的波长从大约380nm到800nm(例如可见光)，从大约400nm到大约880nm，从大约100nm到大约400nm，从700nm到1mm，以及这些各种范围内特定波长的组合，变化。本阵列的实施方式还可在微波相干辐射(例如，波长大于约1mm)中找到应用性。本阵列的实施方式可组合来自一个、两个、三个、数十个或数百个激光源的光束。这些激光束可从几毫瓦到几瓦到几千瓦。

本发明的实施方式主要包括蓝色激光二极管阵列，其以一种构造被组合以优选地产生高亮度激光源。这种高亮度激光源可直接用于处理材料，即标记，切割，焊接，钎焊，热处理，退火。待处理的材料(例如，起始材料或目标材料)可包括任何材料或组件或组成，并且例如可包括半导体组件，例如但不限于TFT(薄膜晶体管)，3D打印起始材料，包括金、银、铂、铝和铜的金属，塑料，薄纸和半导体晶圆等，仅举几例而言。直接处理可包括，例如，烧蚀来自电子设备、投影显示器和激光秀的金，仅举几例而言。

本发明高亮度激光源的实施方式还可用于泵浦拉曼激光器或反斯托克斯激光器。拉曼介质可为光纤，或晶体，例如金刚石，KGW(钨酸钆钾，KGd(WO₄)₂)，YVO₄，以及Ba(NO₃)₂。在一种实施方式中，高亮度激光源为蓝色激光二极管源，其为在400nm至500nm的波长范围内操作的半导体装置。拉曼介质是一种亮度转换器，能够增加蓝色激光二极管光源的亮度。亮度增强可一直扩展到创建单模衍射受限光源，即，光束的激光束质量因子(M²)为约1和1.5，光束参数乘积小于1，小于0.7，小于0.5，小于0.2和0.13mm-mrad，取决于波长。

在一种实施方式中，可在光纤线束中配置“n”或“N”(例如，两个，三个，四个，等，数十个，数百个，或更多)激光二极管源，其使得可寻址光源成为可能，可用于标记，熔化，焊接，烧蚀，退火，热处理，切割材料，以及这些的组合和变化，仅举几例激光操作和程序。

具有可寻址激光传送构造的激光系统的实施方式。该系统具有可寻址的激光二极管系统。该系统向多根光纤(可考虑更多和更少数量的光纤和激光束)提供可独立寻址的激光束。光纤组合成光纤束，容纳于保护管或保护罩中。光纤束中的光纤熔合在一起形成打印头，该打印头包括将激光束沿光束路径聚焦并定向到目标材料的光学组件。打印头和粉末料斗根据随打印头沿正方向移动而一起移动。每次打印头或料斗通过，额外材料可置于熔融材料顶部。打印头是双向的，并且在打印头移动时在两个方向上熔合材料，因此粉末料斗在打印头后面操作，从而提供在激光打印头下一次通过时要熔合的构建材料。

通过“可寻址阵列”指的是以下一项或多项：功率；发射持续时间；发射顺序；发射位置；光束功率；光束光点的形状，以及，焦距(例如在z方向上的穿透深度)能独立地变化，受控制和预先确定，或每根光纤中的每个激光束，以提供精确和预定的、从目标材料高度精确的最终产品(例如构建材料)创建的传送图案。可寻址阵列的实施方式还能够具有单独的光束和这些光束创建的激光站，能够执行各种预定的、精确的激光操作，例如退火，烧蚀，和熔化。

提供以下实施例以说明本发明的激光阵列、系统、装置和方法的各种实施方案。这些实施例仅用于说明目的，不应视为、并且不以其他方式限制本发明的范围。

示例1

蓝色激光二极管的阵列，在空间上组合以在远场中形成单个光点，其可耦合到耐日晒光纤中用以传送到工件。

示例2

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，组合成偏振光束以增加激光束的有效亮度。

示例3

蓝色激光二极管的阵列，在激光二极管的快轴上的每个准直光束之间都有间隔，其接着与反射第一激光二极管并透射第二激光二极管的周期性板组合以填充第一阵列的快方向上的激光二极管之间的空间。

示例4

玻璃基板上的图案化反射镜，使用以完成示例3的空间填充。

示例5

玻璃基板的一侧上的图案化反射镜以完成示例3的空间填充，并且玻璃基板的厚度足以转移每个激光二极管的垂直位置以填充单个的激光二极管之间的空的空间。

示例6

阶梯式散热器完成了示例3的空间填充，并且是示例4中所述的图案化反射镜。

示例7

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其中每个单独的激光都由外腔锁定到不同波长，以将阵列的亮度实质上增加到单个激光二极管光源的等效亮度。

示例8

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其中单个激光二极管阵列使用基于光栅的外腔锁定到单个波长，并且每个激光二极管阵列使用狭窄间距的光学滤光片或光栅组合成单个光束。

示例9

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器，例如具有纯熔融石英芯的光纤以创建更高亮度源和氟化外芯以容纳蓝色泵浦光。

示例10

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器，诸如光纤，具有掺有GeO₂的中央芯，带有外芯以创建更高亮度源，并且外部芯大于中央芯以容纳蓝色泵浦光。

示例11

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器，诸如光纤，具有掺有P₂O₅的纤芯以创建更高亮度源并且外芯大于中央芯以容纳蓝色泵浦光。

示例12

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器，例如光纤，具有渐变折射率纤芯以创建更高亮度源并且外芯大于中央芯以容纳蓝色泵浦光。

示例13

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器光纤，该光纤是渐变折射率的掺有GeO₂的纤芯和外阶跃折射率纤芯。

示例14

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器光纤，该光纤是渐变折射率的掺有P₂O₅的纤芯和外阶跃折射率纤芯。

示例15

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器光纤，该光纤是渐变折射率的掺有GeO₂的纤芯。

示例16

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦拉曼转换器光纤，该光纤是渐变折射率的掺有P₂O₅的纤芯和外阶跃折射率纤芯。

示例17

可考虑示例1的实施例的其他实施方式和变型。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦拉曼转换器(例如金刚石)以创建更高亮度的激光源。图13示出了来自金刚石芯片的蓝色拉曼转换的激光束的图像1301和光谱1302以及从450nm到478nm的波长偏移。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦拉曼转换器(例如KGW)以创建更高亮度的激光源。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦拉曼转换器(例如YVO₄)以创建更高亮度的激光源。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦拉曼转换器(例如Ba(NO₃)₂)以创建更高亮度的激光源。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦作为高压气体的拉曼转换器以创建更高亮度的激光源。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦掺有稀土的晶体以创建更高亮度的激光源。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦掺有稀土的光纤以创建更高亮度的激光源。如示例1中所述的蓝色激光二极管阵列，用于泵浦亮度转换器的外芯，以创建更高比例的亮度增强。

示例18

拉曼转换激光器的阵列，可在各个波长下工作并组合以创建更高功率源，同时保留初始光源的空间亮度。

示例19

拉曼光纤，具有双芯和一种机构使用滤波器、光纤布拉格光栅以抑制高亮度中央芯中的二阶拉曼信号，一阶和二阶拉曼信号的V数区别或微弯损耗区别。

示例20

N个激光二极管，其中N≥1，可单独开启和关闭，并且可成像到粉末床上，以熔化和熔合粉末成独有部件。

示例21

示例1中N≥1的N个激光二极管阵列，其输出可为光纤耦合的，并且每根光纤可成线性或非线性方式布置，以创建可成像或聚焦到粉末上的高功率激光束的可寻址阵列，以逐层熔化和熔合粉末成独有形状。

示例22

借由拉曼转换器组合的一个或多个激光二极管阵列，其输出可为光纤耦合的，并且每根光纤可成线性或非线性方式布置，以创建可成像或聚焦到粉末上的N个(其中N≥1)高功率激光束的可寻址阵列，以逐层熔化和熔合粉末成独有形状。

示例23

一种x-y运动系统，能将N个(其中N≥1)蓝色激光源输送于整个粉末床，同时熔化和熔合粉末床，粉末输送系统位于激光源后面，从而在熔合层后提供新鲜的粉末层。

示例24

z轴运动系统，能在放置新粉末层后增加/减少示例20的部件/粉末床的高度。

示例25

z轴运动系统，能在粉末层由激光源熔化后增加/减少示例20的部件/粉末的高度。

示例26

示例20的双向粉末放置功能，其中在沿正x方向或负x方向行进时将粉末直接放置在激光光点后面。

示例27

示例20的双向粉末放置功能，其中在沿正y方向或负y方向行进时将粉末直接放置在激光光点后面。

示例28

粉末供给系统与N个激光束同轴，其中N≥1。

示例29

粉末供给系统，其中粉末通过重力供给。

示例30

粉末供给系统，其中粉末夹带于惰性气流中。

示例31

粉末供给系统，横向于N个激光束，其中N≥1，并且粉末通过重力刚好放置到激光束前。

示例32

粉末供给系统，横向于N个激光束，其中N≥1，并且粉末夹带于与激光束相交的惰性气流中。

示例33

二次谐波生成系统，其使用在例如460nm的拉曼转换器的输出来生成波长为源激光波长的一半或230nm的光，其由诸如KTP之类的外腔谐振倍频晶体构成但不允许短波长光通过光纤传播。

示例34

三次谐波生成系统，其使用在例如460nm的拉曼转换器的输出来生成115nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

示例35

四次谐波生成系统，其使用在例如460nm的拉曼转换器的输出来生成57.5nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

示例36

二次谐波生成系统，使用在450nm的、在由蓝色激光二极管阵列泵浦时在473nm发射激光的掺有稀土的亮度转换器(例如铥)的输出，以生成波长为源激光波长的一半或236.5nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

示例37

二次谐波生成系统，使用在450nm的、在由蓝色激光二极管阵列泵浦时在473nm发射激光的掺有稀土的亮度转换器(例如铥)的输出，以生成波长118.25nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

示例38

二次谐波生成系统，使用在450nm的、在由蓝色激光二极管阵列泵浦时在473nm发射激光的掺有稀土的亮度转换器(例如铥)的输出，以生成波长59.1nm的光，使用外腔谐振倍频晶体但不允许短波长光通过光纤传播。

示例39

可通过高功率450nm源泵浦以产生可见光或近可见光输出的所有其他掺有稀土元素的纤维和晶体能用于示例34-38中。

示例40

高功率可见光发射到非圆形外纤芯或包覆层中以泵浦拉曼或掺有稀土的纤芯光纤的内芯。

示例41

通过将泵浦的偏振与拉曼振荡器的偏振对准来使用保偏光纤以提高拉曼光纤的增益。

示例42

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦被构造以产生特定偏振的更高亮度源的拉曼转换器，例如光纤。

示例43

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦被构造以产生特定偏振的更高亮度源并维持泵浦源的偏振状态的拉曼转换器，例如光纤。

示例44

如示例1中所述的蓝色激光二极管的阵列，其用于泵浦诸如光纤之类的拉曼转换器，以创建带有被构造以提高拉曼转换效率的非圆形外纤芯的更高亮度源。

示例45

示例1至44的实施例还可包括以下构件或组件中的一个或多个：用于在每次通过完成时在激光扫过粉末床之前平整粉末的装置；通过借由光纤组合器组合多个低功率激光模块来缩放激光的输出功率以产生更高功率输出光束的装置；通过借由自由空间组合多个低功率激光模块来缩放蓝色激光模块的输出功率以产生更高功率输出光束的装置；在具有嵌入冷却的单个基板上组合多个激光模块的装置。

注意，并不要求提供或解决作为本发明的主题或与本发明实施方式相关联的新颖的和开创性的过程、材料、性能或其他有益特征和特性的基础的理论。但是，本说明书中提供了各种理论，以进一步推进该重要领域的技术，特别是激光、激光处理以及激光应用的重要领域的技术。本说明书中陈述的理论，除非另有明确声明外，绝不限制、局限或缩窄要求保护的发明的保护范围。利用本发明不需要或不实践这些理论。还应理解，本发明可指向新的、迄今未知的理论以解释本发明的方法、制品、材料、装置和系统的实施方式的操作、功能和特征。并且这种后来发展的理论不应限制本发明提供的保护范围。

应理解，本说明书中使用小标题是为了清楚起见，而不是以任何方式进行限制。因此，在标题下描述的过程和公开内容应该在整个说明书上下文环境中来读，包括各种实施方式。本说明书中小标题的使用不应限制本发明的保护范围。

本说明书中阐述的激光、二极管、阵列、模块、组件、活动和操作的各种实施方式可用于以上标出的领域和各种其他领域。其中，本发明的实施方式可使用专利申请公开号WO2014/179345、2016/0067780、2016/0067827、2016/0322777、2017/0343729、2017/0341180以及2017/0341144的方法、装置以及系统，它们每一个的全部公开内容通过引用在此并入。另外，这些实施方式，例如，可用以下设备：现有激光器、增材制造系统、操作和活动以及其他现有设备；将来的激光器、增材制造系统操作和活动；以及根据本说明书的教导可(部分地)修改的这些项目。此外，本说明书中阐述的各种实施方式可以使用不同和各种彼此结合。因此，例如，在本说明书的各种实施方式中提供的配置可相互使用。例如，具有A、A'和B的实施方式的组件以及具有A”、C和D的实施方式的组件可以以各种结合彼此一起使用，例如，根据本说明书的教导，A、C、D，和A、A”、C以及D等。因此，本发明提供的保护范围不应限于在一种具体实施例、示例中阐述的或在具体附图中的实施方式中阐述的特定实施方式、配置或布置。

在不脱离本发明精神或基本特征的情况下，本发明可以以不同于在此具体公开的内容的其他形式来体现所描述的实施方式在所有方面仅应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (85)

1.一种增材制造系统，包括配置以在粉末床上提供多光点一维图像、多光点二维图像以及二者的光源；其中所述图像具有足够功率密度以从粉末熔合和构建部件。

2.权利要求1中的所述光源包括光纤的阵列，所述光纤的阵列耦合来自光纤拉曼激光的阵列的光，其在波长范围300nm至500nm运行。

3.权利要求1中的所述光源包括激光二极管的阵列，其在波长范围约400nm至约500nm运行。

4.权利要求1中的所述光源包括光纤的阵列，所述光纤的阵列耦合至激光二极管，其在波长范围约400nm至约500nm运行。

5.权利要求1、2、3、4或5中的所述光源包括光纤的阵列，其直径选自由10μm至50μm、50μm至100μm以及100μm至500μm组成的群组。

6.权利要求1、2、3、4或5中的所述光源包括单个线束的个体光纤，其耦合到个体光源，借由光学器件重新成像，可为1:0.5、1:1、1:2直到并包括1:10。

7.权利要求1中的所述光源为光纤线束，安装于单个QBH连接器中。

8.权利要求1中的所述光源为独立地安装的个体光纤。

9.权利要求1或6中的所述系统，包括高分辨率热成像相机，用于在运行期间直接地监测每个光点的温度并提供反馈信号到微处理器，该微处理器控制到每个光点的功率，以及基于逐个光点的部件构建质量。

10.权利要求1或6中的所述系统，包括高温计阵列，用于在运行期间直接地监测每个光点的温度并提供反馈信号到微处理器，该微处理器控制到每个光点的功率，以及基于逐个光点的部件构建质量。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的系统，包括打印头，所述打印头由安装在x-y机架系统上的光源的阵列组成，用于在粉末床的整个表面上平移一维或二维图像。

12.权利要求1中的所述增材制造系统，使用沿两方向运行的重力供给粉末传送系统。

13.权利要求1中的所述增材制造系统，包括旋转轮，沿与料斗行进方向相反地移动，以压紧和压实粉末，减少粉末床的孔隙率。

14.权利要求85中的控制信号，包括与粉末床的温度相称的信号。

15.权利要求85中的控制信号，包括与在粉末床上在一维或二维图像的每个点处产生的熔池的温度相称的信号。

16.权利要求1中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源用以熔合铜粉末。

17.权利要求1中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源用以熔合金粉末。

18.权利要求1中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源以最佳方式熔合铝粉末。

19.权利要求1中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源以熔合所有金属和金属合金。

20.权利要求11中的所述增材制造系统的打印头，并入了带有热成像相机系统的光学系统，以重新成像并控制暴露于光纤阵列或二极管阵列图像的区域中的粉末的温度。

21.权利要求11中的所述增材制造系统的打印头的光学系统，包括准直器，其可为平凸透镜、平凸非球面透镜、双透镜或三重透镜对以及由平凸透镜、平凸非球面透镜组成的聚焦光学器件，其中源距离准直透镜1f并且距离聚焦透镜1f。

22.权利要求11中的所述打印头的光学系统，为重新成像光学器件，其源距离透镜至少2f，图像沿反方向距离透镜至少2f。

23.权利要求1中的所述增材制造系统，使用活塞以传送粉末到打印床用于重新分配。

24.一种基于光源的阵列和次光源的增材制造系统，用于控制构建区域的温度，该构建区域是粉末床上的一维或二维图像，功率密度足以熔合和构建部件，具有相机系统以监测图像的每个像素并向每个激光实时反馈控制信号，以控制粉末的熔化和熔合，以优化所得部件的表面粗糙度、孔隙率和应力。

25.权利要求24中的所述光源为拉曼激光的阵列，运行于波长范围300nm至500nm中。

26.权利要求24中的所述光源为激光二极管的阵列，运行于波长范围400nm至500nm中。

27.权利要求24中的所述光源为光纤的阵列，耦合到激光二极管，运行于波长范围400nm至500nm中。

28.权利要求24中的所述光源由直径范围10μm至50μm、50μm至100μm或100μm至500μm的光纤的阵列传送。

29.权利要求24中的所述光源为单个线束的个体光纤，其耦合到个体光源，借由光学器件重新成像，可为1:0.5、1:1、1:2直到并包括1:10。

30.权利要求24中的所述光源为光纤线束，安装于单个QBH连接器中。

31.权利要求24中的所述光源为独立地安装的个体光纤。

32.权利要求24中的所述次光源为拉曼激光，运行于波长范围300nm至500nm中。

33.权利要求24中的所述次光源为激光二极管系统，运行于波长范围400nm至500nm中。

34.权利要求24中的所述次光源成像到一维或二维图案成像的相同区域。

35.由权利要求24中的所述次光源辐照的粉末的温度通过热成像相机测量，并且来自所述相机的信号用以控制照亮区域的平均温度。

36.由权利要求24中的所述次光源辐照的粉末的温度通过高温计测量，并且来自所述高温计的信号用以控制照亮区域的平均温度。

37.权利要求24中的所述相机为高分辨率热成像相机，用于在运行期间直接地监测每个光点的温度并提供反馈信号到微处理器，所述微处理器控制到每个光点的功率，以及基于逐个光点的部件构建质量。

38.权利要求24中的所述相机为高温计阵列，用于在运行期间直接地监测每个光点的温度并提供反馈信号到微处理器，所述微处理器控制到每个光点的功率，以及基于逐个光点的部件构建质量。

39.权利要求24中的所述增材制造系统为基于打印头的，所述打印头由安装在x-y机架系统上的光源的阵列组成，用于在粉末床的整个表面上平移一维或二维图像。

40.权利要求24中的所述增材制造系统，使用沿两方向运行的重力供给粉末传送系统。

41.权利要求24中的所述增材制造系统，使用活塞以传送粉末到打印床用于重新分配。

42.权利要求24中的所述增材制造系统，包括旋转轮，沿与料斗行进方向相反地移动，以压紧和压实粉末，减少粉末床的孔隙率。

43.权利要求24中的控制信号可为与粉末床的温度相称的信号。

44.权利要求24中的控制信号可为与在粉末床上在一维或二维图像的每个点处产生的熔池的温度相称的信号。

45.权利要求24中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源用以熔合铜粉末。

46.权利要求24中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源用以熔合金粉末。

47.权利要求24中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源以最佳方式熔合铝粉末。

48.权利要求24中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源以最佳方式熔合所有其它金属和金属合金。

49.权利要求1中的所述增材制造系统的打印头，并入了带有热成像相机系统的光学系统，以重新成像并控制暴露于光纤阵列或二极管阵列图像的区域中的粉末的温度。

50.权利要求1中的所述增材制造系统的打印头的光学系统，包括准直器，其可为平凸透镜、平凸非球面透镜、双重或三重透镜对以及由平凸透镜、平凸非球面透镜组成的聚焦光学器件，其中源距离准直透镜1f并且距离聚焦透镜1f。

51.所述打印头的光学系统为重新成像光学器件，其源距离透镜至少2f，并且图像沿反方向距离透镜至少2f。

52.权利要求1和24中的所述增材制造系统，并入了光学相干断层扫描(OCT)系统，以实时监测焊接过程。

53.一种基于光源的阵列和次光源的阵列(n x m>1)的增材制造系统，用于控制构建区域的温度，所述构建区域是粉末床上的一维或二维图像，功率密度足以熔合和构建部件，具有相机系统以监测图像的每个像素并向每个激光实时反馈控制信号，以控制粉末的熔化和熔合，以优化所得部件的表面粗糙度、孔隙率和应力。

54.权利要求53中的所述光源为光纤的阵列，耦合运行于波长范围300nm至500nm中的光纤拉曼激光的阵列的光。

55.权利要求53中的所述光源为激光二极管的阵列，运行于波长范围400nm至500nm中。

56.权利要求53中的所述光源为光纤的阵列，耦合到激光二极管，运行于波长范围400nm至500nm中。

57.权利要求53中的所述光源由直径范围10μm至50μm、50μm至100μm或100μm至500μm的光纤的阵列传送。

58.权利要求53中的所述光源为单个线束的个体光纤，其耦合到个体光源，借由光学器件重新成像，可为1:0.5、1:1、1:2直到并包括1:10。

59.权利要求53中的所述光源为光纤线束，安装于单个QBH连接器中。

60.权利要求53中的所述光源为独立地安装的个体光纤。

61.权利要求53中的所述次光源为光纤拉曼激光，运行于波长范围300nm至500nm中。

62.权利要求53中的所述次光源为激光二极管系统，运行于波长范围400nm至500nm中。

63.权利要求53中的所述次光源成像到一维或二维图案成像的相同区域。

64.由权利要求53中的所述次光源阵列辐照的粉末的温度通过热成像相机测量，并且来自所述相机的信号用以控制照亮区域的平均温度。

65.由权利要求53中的所述次光源辐照的粉末的温度通过高温计测量，并且来自所述高温计的信号用以控制照亮区域的平均温度。

66.权利要求53中的所述相机为高分辨率热成像相机，用于在运行期间直接地监测每个光点的温度并提供反馈信号到微处理器，所述微处理器控制到每个光点的功率，以及基于逐个光点的部件构建质量。

67.权利要求53中的所述相机为高温计阵列，用于在运行期间直接地监测每个光点的温度并提供反馈信号到微处理器，所述微处理器控制到每个光点的功率，以及基于逐个光点的部件构建质量。

68.权利要求53中的所述增材制造系统为基于打印头的，所述打印头由安装在x-y机架系统上的光源的阵列组成，用于在粉末床的整个表面上平移一维或二维图像。

69.权利要求53中的所述增材制造系统，使用沿两方向运行的重力供给粉末传送系统。

70.权利要求53中的所述增材制造系统，使用活塞以传送粉末到打印床用于重新分配。

71.权利要求53中的所述增材制造系统，包括旋转轮，沿与料斗行进方向相反地移动，以压紧和压实粉末，减少粉末床的孔隙率。

72.权利要求53中的控制信号可为与粉末床的温度相称的信号。

73.权利要求53中的控制信号可为与在粉末床上在一维或二维图像的每个点处产生的熔池的温度相称的信号。

74.权利要求1中的所述增材制造系统的打印头，并入了带有热成像相机系统的光学系统，以重新成像并控制暴露于光纤阵列或二极管阵列图像的区域中的粉末的温度。

75.权利要求1中的所述增材制造系统的打印头的光学系统，包括准直器，其可为平凸透镜、平凸非球面透镜、双透镜或三重透镜对以及由平凸透镜、平凸非球面透镜组成的聚焦光学器件，其中源距离准直透镜1f并且距离聚焦透镜1f。

76.所述打印头的光学系统为重新成像光学器件，其源距离透镜至少2f，图像沿反方向距离透镜至少2f。

77.权利要求53中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源用以熔合铜粉末。

78.权利要求53中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源用以熔合金粉末。

79.权利要求53中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源以最佳方式熔合铝粉末。

80.权利要求53中的所述增材制造系统，使用蓝色激光源以最佳方式熔合所有其它金属和金属合金。

81.权利要求1、24和53中的所述打印机头与类似打印机头安装于单个或多个机架上，以并行地打印图像。

82.权利要求1、24和53中的所述打印机头与类似打印机头安装于单个或多个机架上，以打印作为部件一部分的图像。

83.权利要求1、24和53中的所述打印机头与类似打印机头安装于单个或多个机架上，并且光学系统用于将来自多个源的图像熔合到一起以创建更大连续图像。

84.权利要求1、24和53中的所述打印机头与类似打印机头安装于单个或多个机架上，以打印通过步进和重复填隙的图案而熔合到一起的成检验板形式的图像。

85.权利要求1的所述系统，包括相机系统以监测图像的每个像素并向每个激光实时反馈控制信号，以控制粉末的熔化和熔合，以优化所得部件的表面粗糙度、孔隙率和应力。

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