CN115379943A - 支持吸收激光放大器中的放大式自发发射的高通量增材制造系统 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方案中，制造方法包括产生第一波长或第一波长范围的激光。激光放大器具有放大第二波长或第二波长范围的光的增益介质，该激光放大器可以响应于接收到所产生的激光而被光泵浦。用能够吸收第二波长或第二波长范围的冷却剂流体来冷却增益介质，并且所产生和放大的激光被引导向物品处理单元。

Description

支持吸收激光放大器中的放大式自发发射的高通量增材制造 系统
相关专利申请的交叉引用
本公开是要求于2020年4月10日提交的第63/008,466号美国专利申请的优先权权益的非临时专利申请的一部分，该美国专利申请通过引用以其整体并入。
技术领域
本公开总体上涉及一种用于高通量增材制造(high throughput additivemanufacturing)的系统和方法。在一个实施方案中，粉末床熔融(powder bed fusion)制造由经冷却的高功率激光放大器支持，且更具体地，由能够吸收激光的放大式自发发射(amplified spontaneous emission，ASE)的流体冷却系统支持。
背景
传统的部件加工通常依赖于通过钻孔、切割、或研磨来去除材料以形成零件。相比之下，增材制造(也称为3D打印)通常涉及材料的顺序逐层添加以构建零件。以3D计算机模型开始，增材制造系统可以用来由各种材料创建复杂的零件。
一种被称为粉末床熔融(PBF)的增材制造技术使用一个或更多个聚焦能量源，如激光或电子束，以通过熔化粉末并将其粘合到下面的层而在粉末薄层中绘制图案。粉末可以是塑料、金属或陶瓷。这种技术是高度精确的，并且通常可以实现小到150-300um的特征尺寸。然而，粉末床熔融增材制造机制造商想方设法创造能够以超过1kg/hr生产打印材料的机器。由于这种缓慢的粉末到固体的转化率，机器的尺寸相对较小，因为它打印较大的零件将将花费较长的时间。当今最大的机器的可打印零件的体积通常小于64L(40cm)3。虽然这些打印机能够打印几乎任意几何形状的零件，但由于机器成本高和粉末转化率低，机器的摊余成本最终非常高，导致零件昂贵。
增加激光的可用能量可以提高增材制造的通量并降低成本。这可以使用高功率激光放大器来实现，以为激光器系统提供能量或存储能量，以及允许孔径缩放从而避免激光对衬底和/或光学涂层的损坏。然而，随着放大器尺寸的增加，可能会出现与不期望的激光现象(如放大式自发发射(ASE))相关的问题。当自发发射的光子穿过激光增益介质并在它们沿横向(即激光束不沿其传播的方向)离开增益介质之前被放大时，ASE发生。当对于自发发射的光子具有高增益和长路径的组合时，ASE是有利的。实际上，ASE减少了激发激光增益介质中的上能级，并剥夺了激光的功率。此外，ASE光子在增益介质边界的反射可以为寄生振荡提供反馈，从而进一步增加激光功率损失。在某些情况下，ASE甚至可能变得足够大到耗尽高增益激光放大器中的上能级反转。
为了减少ASE相关的问题，通常的做法是将吸收ASE激光波长的材料安装在增益介质的不必透射激光的所有侧面。这种材料通常被称为边缘包层(edge-cladding)或吸收体包层。例如，工作在1.06微米波长附近的Nd激光器可以用包括二价钴和二价钐离子的材料包覆。
除了ASE或寄生激光的问题之外，大型放大器还会产生大量的废热。除非去除，否则这些废热可能会沉积到增益介质中，在增益介质中，废热可能导致热透镜效应、机械应力、退偏(depolarization)、光束质量(BQ)下降、激光功率损失、或热断裂。为了减少这样的变热问题，通常使用流管来冷却放大器，流管使冷却气体或液体在放大器增益介质周围循环。在一些实施方案中，流管可以掺入ASE吸收剂离子以提供边缘或吸收体包层功能。然而，随着放大器平均功率的增加，这些流管边缘/吸收体包层材料上的热负荷也增加，有可能导致热断裂。由于这种ASE吸收体流管含有冷却剂，流管断裂是灾难性的，并可能导致对闪光灯、二极管源、或放大器增益介质(例如放大器棒)的破坏。需要一种最大限度地减少ASE的影响、同时仍然允许容易冷却和更换放大器增益介质的系统。
概述
在一个实施方案中，制造方法包括产生第一波长或第一波长范围的激光。一种具有放大第二波长或第二波长范围的光的增益介质的激光放大器可以响应于接收到所产生的激光而被光泵浦。增益介质用能够吸收第二波长或第二波长范围的冷却剂流体冷却，并且所产生和放大的激光被引导向物品处理单元。
在一个实施方案中，增益介质是以下中的至少一种：棒状放大器和板条放大器。
在制造方法的一个实施方案中，增益介质是板条放大器。
在制造方法的一个实施方案中，增益介质是以下中的至少一种：Nd:YAG棒和Nd:YLF棒。
在制造方法的一个实施方案中，冷却剂流体包括盐水溶液。
在制造方法的一个实施方案中，来自冷却剂流体的热量由拒斥能量(rejectedenergy)处置单元处理。
在该制造方法的一个实施方案中，被引导的放大的激光被图案化为二维图像。
在该制造方法的一个实施方案中，被引导的放大的激光使用光阀进行图案化。
在制造方法的一个实施方案中，物品处理单元包括增材制造构建室。
在制造方法的一个实施方案中，物品处理单元包括增材制造构建室，该增材制造构建室容纳能够接收被引导的放大的激光的金属、陶瓷、塑料、玻璃金属混合体、陶瓷混合体、塑料混合体、或玻璃混合体材料中的至少一种。
在用于制造组件的一个实施方案中，激光放大器包括能够产生第一波长或第一波长范围的光的光泵浦源。激光放大器还包括光泵浦激光放大器，该光泵浦激光放大器具有增益介质，该增益介质响应于从光泵浦源接收到所产生的光而放大第二波长或第二波长范围的光。外壳用于至少部分地包围增益介质并容纳能够吸收第二波长或第二波长范围的冷却剂流体。
在用于制造组件的一个实施方案中，增益介质是棒状放大器。
在用于制造组件的一个实施方案中，增益介质是板条放大器。
在用于制造组件的一个实施方案中，增益介质是Nd:YAG棒，并且冷却剂流体可以吸收1064nm激光发射。
在用于制造组件的一个实施方案中，增益介质是Nd:YLF棒，并且冷却剂流体可以吸收1047nm或1053nm激光发射中的至少一个。
在用于制造组件的一个实施方案中，冷却剂流体透射来自光泵浦源的第一波长或第一波长范围的光。
在用于制造组件的一个实施方案中，其中，冷却剂流体包括盐水溶液。
在用于制造组件的一个实施方案中，冷却剂流体包括含有以下中的至少一种的盐水溶液：氯化钐、硝酸钐、硫酸钐、硝酸铜、硫酸铜、或氯化铜。
在用于制造组件的一个实施方案中，外壳是流管。
在用于制造组件的一个实施方案中，外壳是被掺杂以吸收第二波长或第二波长范围的光的流管。
在用于制造组件的一个实施方案中，外壳和增益介质一起限定能够容纳冷却剂流体的腔。
在用于制造组件的一个实施方案中，激光放大器包括能够产生第一波长或第一波长范围的光的光泵浦源。光泵浦激光放大器具有增益介质，该增益介质响应于从光泵浦源接收到所产生的光而放大第二波长或第二波长范围的光，该光泵浦激光放大器至少部分地被外壳包围。外壳还至少部分地包围增益介质并容纳能够吸收第二波长或第二波长范围的固体基质，其中固体基质由冷却剂流体冷却。
在用于制造组件的一个实施方案中，固体基质限定掺杂钐或铜的晶格结构。
在用于制造组件的一个实施方案中，固体基质包括掺杂钐或铜的一层卵石状材料。
附图简述
参考以下附图描述了本公开的非限制性的并且非穷举的实施方案，其中，除非以其它方式说明，否则在所有各个附图中相似的附图标记指代相似的部件。
图1A示出了具有流管和包含的光吸收溶液的激光放大器；
图1B示出了具有流管和包含的光吸收结构的激光放大器；
图1C示出了具有流动腔和附加包层(additional cladding)的板条放大器；
图1D示出了具有流动腔和包含的光吸收结构的板条放大器；和
图1E示出了具有固态配置的附加包层的板条放大器；
图2示出了包括经冷却的放大器的激光器系统；和
图3示出了具有包括经冷却的流体放大器的激光器系统的制造组件。
图4示出了制造处理，包括来自经冷却的放大器的拒斥能量处置；和
图5示出了具有包括经冷却的流体放大器的编组站激光器系统(switchyardlaser system)的制造组件。
详细描述
在以下描述中，参考了形成说明书的一部分的附图，并且其中通过说明其中可实践本公开的具体示例性实施方案的方式示出。对这些实施方案进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践本文公开的概念，并且应当理解，可以对各种公开的实施方案进行修改，并且可以利用其他实施方案，而不脱离本公开的范围。因此，以下详细描述不被认为是限制性的意义。
图1A以横截面图示出了用于棒状放大器的激光器冷却系统100A。系统100A包括放大器外壳102，放大器外壳102至少部分地包围棒状放大器104，棒状放大器104用于使用光泵浦源106来放大入射激光。紧接在棒状放大器104周围的是具有入口112和出口114的流管110，流体密封件116被定位成保持棒状放大器104。流管可以充满再循环流体118。
在操作中，光泵浦源106(其可以是闪光灯、LED或激光二极管)将具有第一波长或第一波长范围的光121引导向棒状放大器104。第一波长或第一波长范围的光121被选择成被流管110或任何包含的再循环流体118最小地吸收。响应于被引导的光121，棒状放大器104放大具有第二波长或第二波长范围的入射激光束123的功率。实际上，来自光泵浦源106的光向增益介质(在此情况下为棒状放大器104)提供能量以放大入射激光的功率。激光束123在离开之前沿棒状放大器纵向通过。在此过程中，附带地产生具有相同的第二波长或第二波长范围的一些少量非纵向或横向(相对于棒状放大器104的纵轴)引导的激光125。通常被称为放大式自发发射(ASE)，激光125被再循环流体吸收，因吸收产生的废热最终被转移到附接的制冷机(chiller)或冷却器系统。
图1B示出了替代的激光器冷却系统100B，其类似于关于图1A讨论的激光器冷却系统。然而，在该实施方案中，流管110可以充满不直接吸收ASE激光125的再循环流体118。相反，诸如球体、立方体、棱锥、六边形、五边形、七边形、八边形、熔块、晶格、重叠结构、互锁结构、或其他宏观开孔光吸收结构119B的成形材料、或规则或不规则的成形零件掺杂有吸收体材料，并被用于吸收ASE激光125。在一些实施方案中，成形材料可以包括并入了光吸收材料或由光吸收材料形成的固体基质。水或其它流体可以围绕吸收结构或固体基质119B并流过吸收结构或固体基质119B，排出废热。在一些实施方案中，结构可以不可移动地被包裹(packed)或保持在单独的容器系统中。例如，在一个实施方案中，Nd:YAG棒状放大器可以被直径为0.2-1mm的掺杂钐的玻璃球包围，这些玻璃球紧密地围绕棒进行包裹。球体之间的间隙作为微流体流动通道，而允许废热排出。有利的是，与标准吸收流管相比，球体的高比表面积(high surface area)和小尺寸可以产生更高的热破裂极限。
图1C示出了用于板条放大器的替代的激光器冷却系统100C，类似于关于图1A和图1B的棒状放大器所讨论的激光器冷却系统，但不需要单独的流管。系统100C包括放大器外壳102C，放大器外壳102C具有可选的集成的或附接的光吸收包层111C，光吸收包层111C至少部分地围绕板条放大器104C。在板条放大器104C和光吸收包层111C之间限定流动腔110C。入口112C和出口114C也被限定为允许再循环流体118C进出腔110C。如前面关于图1A所述，放大式自发发射(ASE)激光125C被包层吸收。
图1D示出了用于板条放大器的替代的激光器冷却系统100C，其类似于关于图1B的棒状放大器所讨论的激光器冷却系统。该实施方案不需要单独的流管，而是可以使用如关于图1C所述的流动腔。系统100D包括放大器外壳102D，放大器外壳102D至少部分地包围板条放大器104D。流动腔110D被限定在板条放大器104C和放大器外壳102D之间，并且入口112D和出口114D还被限定以允许再循环流体118D进出腔110D。流动腔可以充满诸如球体、熔块、晶格结构、或其它宏观开孔光吸收结构119D的成形材料，成形材料掺杂有诸如钐或铜的吸收体材料被并用于吸收ASE激光125D。水或其它再循环流体118D可以围绕吸收结构119B流动并流过吸收结构119B，以排出废热。通常，再循环流体的指标应与成形材料相匹配。
图1E示出了用于板条放大器的替代的固态激光器冷却系统100E，其类似于关于图1C的板条放大器讨论的激光器冷却系统。系统100E可以操作为液态或固态ASE吸收系统，其可以单独使用或与如本文所讨论的液体冷却系统组合使用。在一些操作模式中，图1E中描述的系统可以在不用液体填充流动通道110E、112E和114E的情况下操作。在其他实施方案中，流动通道可以从系统中省略，以使放大器外壳102E为连续固体。然后，通过诸如水、硅油的流体或诸如空气、氦气、或氩气的气体对放大器外壳102E和放大器片104E进行表面冷却来实现从包层排出热量。热量从包层界面传导到外壳，且从外壳传导到外壳的表面，在外壳的表面处热被冷却。系统100E包括放大器外壳102E，放大器外壳102E具有完全包围板条放大器104E的可选的集成的或附接的光吸收包层111E。该包层可以包括如本公开中所述的ASE吸收材料，包括像玻璃或晶体的固态材料形式的掺杂铜或钐的材料。包层也可以是低反射率的黑色涂层，如油烟黑、Actar黑、钨黑、碳丝绒黑、或热解石墨。这种包层材料用导电的环氧树脂或焊料粘附在放大器外壳上以促进散热。板条放大器104E可以通过灌封化合物或胶水117E安装在外壳中。该灌封化合物或胶水可以透射ASE信号，并且折射率可以尽可能地与放大器片104E和包层匹配，以最小化来自界面的反射。灌封化合物或胶水也可以是柔顺的，以允许片和包层之间存在膨胀和温度不匹配。可用的灌封化合物的例子包括为此目的开发的光学粘结剂，如Norland光学粘结剂或透明聚氨酯。在使用流动液体作为冷却剂的那些实施方案中，流动腔110E被限定在放大器外壳102E内以有利于排出热量。入口112E和出口114E也被限定为允许再循环流体118E进出腔110E。如前面关于图1C所描述的，放大式自发发射(ASE)激光125E被包层吸收。
在所描述的实施方案或其它实施方案中，用于激光放大器的增益介质可以基于诸如以下项的材料掺杂钕、镱、或铒的棒或片：Y3Al5O12(YAG)、YLiF4(YLF)、YVO4、玻璃、GdVO4、Gd3Ga5O12(GGG)、KGd(WO)4)2(KGW)、YAlO3(YALO)，YALO3(YAP)、LaSc3(BO3)4(LSB)、Sr5(PO4)3F(S-FAP)、或Lu2O3、Y2O3。
在所述的实施方案或其它实施方案中，窄波长的光吸收和再循环流体或结构可以包括吸光盐，如硝酸钐或氯化钐。钐盐具有1微米范围内的窄吸收，并且仍然允许透射普通光泵浦源波长。钐盐通常可溶于诸如水的含水冷却剂中，可放入溶液中或嵌入玻璃或纳米颗粒中。可替代地，悬浮在胶体溶液中的量子点可以用作光吸收体。例如，硅量子点可以跨越可见光谱进行调谐。通过将材料改为碲化锗或碲化镉，可以支持红外窄带宽吸收。作为替代，可以使用溶液或胶体悬浮液中的染料(dyes)或其他有机材料。
在所述的实施方案或其他实施方案中，能够保持溶液中的盐或排出废热的再循环流体可以包括水、水和诸如
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的防腐剂、乙烯或丙二醇、醇、
Figure BDA0003883131220000091
或类似的氟基冷却液、以及硅氧烷(硅油))。在另一替代方案中，非水流体或离子流体可用作再循环冷却剂流体。
在一个实施方案中，掺杂铥的材料如Y3Al5O12(YAG)、YLiF4(YLF)、YVO4、玻璃、GdVO4、Gd3Ga5O12(GGG)、KGd(WO4)2(KGW)、YAlO3(YALO)，YALO3(YAP)、LaSc3(BO3)4(LSB)、Sr5(PO4)3F(S-FAP)、或Lu2O3、Y2O3，这些材料在2微米光谱范围内发射，掺杂镨的流体(可以吸收2微米，但在800纳米范围内进行透射，其中它们通常是二极管泵浦的)。对于吸收可见光(400-700nm)和发射近红外(700-1100)激光的过渡金属激光器，如Ti:蓝宝石和Cr:LiSAF，可以使用硫酸铜、硝酸铜、氯化铜等铜基盐。
关于图1A、图1B、图1C、和图1D讨论的实施方案允许激光放大器的功率缩放显著超出由用于边缘包层或流管的固态吸收材料的热断裂或损坏所限定的极限。相反，热功率被直接吸收到再循环流体中，其中流体的热容量和流动速率可以用来设计极高的平均功率，而对流管或外壳的热负荷很小。因为流管和外壳可以对泵浦和激光波长是透明的，并且不吸收任何显著的功率。这些部件被加热仅源于平均功率操作下流体冷却剂的小幅升温。这消除了由于边缘包层吸收引起的灾难性损坏的可能性，并使放大器的平均功率能力大大提高。实际上，如果基于棒的系统由于流管断裂而有重复率(平均功率)限制，那么该限制将不再是相对脆弱的流管的，而是放大器棒的，从而使系统具有更高的重复率能力。
通常，如果针对每个激光放大器的特定条件优化吸收，则吸收体材料和激光放大器将最佳地工作，并且本发明使调谐该系统变得灵活和适应性强。固态吸收体必须被制造，并且因此会受到掺杂、厚度、表面光洁度等方面的误差的影响，这些误差会对性能产生不利影响，导致边缘包层发热或导致放大器中的寄生损耗。通常，吸收体将吸收横向增益的反比(其可以>99％的发射)并维持操作温度，以保持放大器的峰值性能。由于寄生损耗通常随着激光放大器温度的升高而发生，因此最好保持低温度。通过改变吸收体的浓度和冷却剂的流动速率，光吸收可以分布在流动通道上，且吸收被设定成刚好足够抑制寄生激光，同时消除保持放大器表面温度接近室温所需的热负荷。
应当注意，不必改变放大器的物理硬件来利用本发明。例如，仍然可以使用具有光吸收掺杂剂以吸收激光和透射泵浦光的传统的和通常可用的流管。使用所述的光吸收流体或结构确保ASE或其他激光辐射在接触流管之前被吸收。
在一些实施方案中，不需要使用能够透射泵浦光的边缘包层或ASE光吸收流体。例如，放大器棒可以沿着激光束入口或出口表面接收泵浦光，或者板条放大器可以被泵浦通过一个大的提取面。由于泵浦光不需要透射穿过再循环光吸收流体，因此支持使用更多种类的光吸收盐。例如，可以使用基于铜或铁盐的冷却剂，其有效吸收在700至1200nm之间(在广泛可用的激光材料中常见)。其它吸收材料可以包括掺杂钛的Al2O3(钛:蓝宝石)、掺杂铬的LiSrAlF6(Cr:LiSAF)、掺杂镱的材料、和掺杂钕的材料。乙醇可以用于吸收铒基激光放大器的1.5微米激光发射。
图2示出了支持关于图1A、图1B、图1C、和图1D讨论的实施方案的激光器系统200的一个实施方案。图2示出了激光源202，该激光源202将光引导通过可选的激光前置放大器204到激光放大器206。激光放大器206连接到冷却系统208，并且放大的光可以被传输以由激光光学器件210进行最终成形和引导。控制器220和任何包括的处理器可以根据需要连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器、或其他外部控制器以协调操作。各种传感器(包括成像器、光强度监测器、热传感器、压力传感器、或气体传感器)可以被用来提供用于进行控制或监测的信息。控制器220可以是单个中央控制器，或者可替代地，可以包括一个或更多个独立的控制系统。控制器220可以设置有允许指令输入的接口。使用各种传感器允许各种反馈控制机制，这提高了质量、制造通量、和能效。
在一些实施方案中，图2的激光源202可以被构建为连续激光器或脉冲激光器。在其他实施方案中，激光源202包括脉冲电信号源，诸如任意波形发生器或作用在连续激光源(诸如激光二极管)上的等同物。在一些实施方案中，这也可以通过光纤激光器或光纤发射激光源来实现，该光纤激光器或光纤发射激光源随后由声光或电光调制器来调制。在一些实施方案中，使用普克尔斯盒(Pockels cell)的高重复率脉冲源可以用于产生任意长度的脉冲序列。
可能的激光类型包括但不限于：气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸气激光器、固态激光器(例如光纤)、半导体激光器(如二极管)、自由电子激光器、气体动态激光器、“类镍”钐激光器、拉曼激光器、或核泵浦激光器。
气体激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦氖激光器、氩激光器、氪激光器、氙离子激光器、氮激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器或准分子激光器。
化学激光器可以包括诸如以下项的激光器：氟化氢激光器、氟化氘激光器、COIL(化学氧碘激光器)、或Agil(全气相碘激光器)。
金属蒸气激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦镉(HeCd)金属蒸气激光器、氦汞(HeHg)金属蒸气激光器、氦硒(HeSe)金属蒸气激光器、氦银(HeAg)金属蒸气激光器、锶蒸气激光器、氖铜(NeCu)金属蒸气激光器、铜蒸气激光器、金蒸气激光器、或锰(Mn/MnCl2)蒸气激光器。也可以使用铷或其他碱金属蒸气激光器。固态激光器可以包括诸如以下项的激光器：红宝石激光器、Nd:YAG激光器、NdCrYAG激光器、Er:YAG激光器、钕YLF(Nd:YLF)固态激光器、掺杂钕的钒酸钇(Nd:YVO4)激光器、掺杂钕的硼酸钙氧钇Nd:YCa4O(BO3)3或者简称为Nd:YCOB、钕玻璃(Nd:玻璃)激光器、钛蓝宝石(Ti:蓝宝石)激光器、铥YAG(Tm:YAG)激光器、镱YAG(Yb:YAG)激光器、镱2O3(玻璃或陶瓷)激光器、掺杂镱的玻璃激光器(棒、板/碎片、和纤维)、钬YAG(Ho:YAG)激光器、铬ZnSe(Cr:ZnSe)激光器、掺杂铈的氟化锂锶(或钙)铝(Ce:LiSAF，Ce:LiCAF)、掺杂钷147的磷酸盐玻璃(147Pm+3:玻璃)固态激光器、掺杂铬的金绿宝石(翠绿宝石(alexandrite))激光器、掺杂铒的和铒镱共掺杂的玻璃激光器、掺杂三价铀的氟化钙(U:CaF2)固态激光器、掺杂二价钐的氟化钙(Sm:CaF2)激光器、或F-中心激光器。
半导体激光器可以包括诸如以下项的激光器介质类型：GaN、InGaN、AlGaInP、AlGaAs、InGaAsP、GaInP、InGaAs、InGaAsO、GaInAsSb、铅盐、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、量子级联激光器、混合硅激光器、或它们的组合。
在一些实施方案中，可选地，各种激光前置放大器204用于向激光信号提供高增益，而光学调制器和隔离器可以分布在整个系统中，以减少或避免光学损坏，提高信号对比度，并防止损坏系统200的较低能量部分。光学调制器和隔离器可以包括但不限于普克尔斯盒、法拉第旋转器、法拉第隔离器、声光反射器、或体布拉格光栅。激光前置放大器204可以是二极管泵浦的或闪光灯泵浦的前置放大器，并且被配置为单程和/或多程或腔型架构。可以理解的是，术语激光前置放大器在这里用来表示相对于激光放大器206(更大)来说不受热限制的放大器(即它们更小)。与激光前置放大器相比，激光放大器通常被定位为激光器系统200中的最终单元之一，并且最有可能易受热损坏，包括但不限于热断裂或过度热透镜化。
激光前置放大器204可以包括在不过度关注能量效率的系统中可用的单程(single pass)前置放大器。对于能量效率更高的系统，多程前置放大器可以被配置为在进入下一级之前从每个激光前置放大器204提取许多能量。特定系统所需的激光前置放大器的数量由系统要求和每个放大器模块中可用的存储能量/增益来限定。多程前置放大器可以通过角度复用或偏振切换(例如使用波片或法拉第旋转器)来实现。
可替代地，激光前置放大器204可以包括具有再生放大器类型配置的腔结构。虽然由于典型的机械考虑(腔的长度)，这种腔结构可以限制最大脉冲长度，但是在一些实施方案中，可以使用“白盒(White cell)”腔。白盒是一种多程腔结构，每一次通过都增加一小的角度偏差。通过提供入口和出口路径，这种腔可以被设计成在入口和出口之间具有极大的通过数量，从而允许放大器的大增益和高效使用。白盒的一个示例是共焦腔，光束稍微偏轴注入并且反射镜倾斜，这样在多次通过之后在反射镜上产生环形图案。通过调整注入角度和反射镜角度，可以改变通过次数。
激光放大器206还用于提供足够的存储能量以满足系统能量要求，同时支持足够的热管理，以使得无论它们是二极管泵浦的还是闪光灯泵浦的，都能够以系统所需的重复率操作。
激光放大器206可以被配置为单程和/或多程或腔型架构。类似于激光前置放大器，激光放大器206可以包括可用在不过度关注能量效率的系统中的单程放大器。对于能量效率更高的系统，多程激光放大器可以被配置为在进入下一级之前从每个放大器提取许多能量。特定系统所需的激光放大器的数量由系统要求和每个放大器模块中可用的存储能量/增益来限定。多程激光放大可以通过角度复用或偏振切换(例如使用波片或法拉第旋转器)来实现。
可替代地，激光放大器206可以包括具有再生放大器类型配置的腔结构。如关于激光前置放大器204所讨论的，放大器206可用于功率放大。
在一些实施方案中，冷却系统208可以包括被动或主动流体泵送系统。控制器220可以使用传感器来确定光透射或激光光吸收特性。在一些实施方案中，废热可用于提高连接部件的温度。
将要理解的是，通过增加具有适当的热管理和光隔离的更多的前置放大器和放大器，可以在该架构中缩放激光器通量和能量。通过增加泵浦速率或改变冷却效率来用于调节性能，那么调节冷却系统的散热特性是可能的。
激光束可以通过多种激光光学器件210成形，以组合、聚焦、发散、反射、折射、均化、调节强度、调节频率、或以其他方式成形和引导一个或更多个激光束。在一个实施方案中，可以使用波长选择镜(例如二向色镜)或衍射元件来组合各自具有不同光波长的多个光束。在其他实施方案中，可以使用多面镜、微透镜、以及折射或衍射光学器件来均匀化或组合多个光束。
在关于图3示出的另一实施方案中，关于图1A-D和图2的系统200示出的放大器架构可以形成增材制造方法和系统300的组件。如图3所示，激光源和放大器312可以包括经冷却的激光放大器和诸如先前描述的其他组件。有利地，使用诸如关于图1A-D所述的激光放大器可以允许更高的能量、更快的增材制造、以及更好的系统效率和通量。具有现有的流管放大器系统的传统的增材制造系统可以获益于简单地替换含有ASE吸收盐或其他合适吸收结构的循环冷却流体。
如图3所示，增材制造系统300使用能够提供一维或二维被引导的能量的激光器作为激光图案化系统310的一部分。在一些实施方案中，一维图案化可以被引导为线性或弯曲条带、光栅线、螺旋线、或任何其他合适的形式。二维图案化可以包括分开的或重叠的板条，或激光强度变化的图像。可以使用具有非正方形边界的二维图像图案，可以使用重叠或互穿的图像，并且可以由两个或更多个能量图案化系统提供图像。激光图案化系统310使用激光源和放大器312来将一个或更多个连续或间歇能量光束引导向光束成形光学器件314。在成形之后，如果需要，光束由激光图案化单元316图案化，通常一些能量被引导到拒斥能量处置单元318。在一个实施方案中，图案化能量由图像中继器320转发到物品处理单元340，作为聚焦在床346附近的二维图像322。床346(具有可选的壁348)可以形成包含由材料分配器342分配的材料344(如金属粉末)的室。由图像中继器320引导的图案化能量可以熔化、熔融、烧结、结合、改变晶体结构、影响应力模式、或以其他化学或物理方式修饰分配材料344以形成具有所需性质的结构。控制处理器350可以连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器、和控制器，以协调激光源和放大器312、光束成形光学器件314、激光图案化单元316、和图像中继器320以及系统300的任何其他组件的操作。将要理解的是，连接可以是有线的或无线的、连续的或间歇的，并且包括用于反馈的能力(例如，可以响应于感测到的温度来调节热加热)。
在一些实施方案中，光束成形光学器件314可包括多种成像光学器件，以组合、聚焦、发散、反射、折射、均化、调节强度、调节频率、或以其他方式使从激光源和放大器312接收的一个或更多个激光束成形并将其引导向激光图案化单元316。在一个实施方案中，可以使用波长选择镜(例如二向色镜)或衍射元件来组合各自具有不同光波长的多个光束。在其他实施方案中，可以使用多面镜、微透镜、以及折射或衍射光学器件来均匀化或组合多个光束。
激光图案化单元316可以包括静态或动态能量图案化元件。例如，激光束可以被具有固定或可移动元件的掩模阻挡。为了增加图像图案化的灵活性和易用性，可以使用像素可寻址掩模、图像生成、或透射。在一些实施方案中，能量图案化单元包括可寻址光阀，以单独地或与其他图案化机构结合来提供图案化。光阀可以是透射的、反射的、或者使用透射元件和反射元件的组合。可以使用电寻址或光寻址来动态修改图案。在一个实施方案中，透射光学寻址光阀用于通过该阀的光的旋转偏振，其中光学寻址像素形成由光投射源限定的图案。在另一个实施方案中，反射光学寻址光阀包括用于修改读取束的偏振的写入束。在某些实施方案中，可使用非光学寻址光阀。这些可包括但不限于电寻址像素元件、可移动反射镜或微反射镜系统、压电或微致动光学系统、固定或可移动掩模、或屏蔽罩、或任何其他能够提供高强度光图案化的传统系统。
拒斥能量处置单元318可以用于分配、重定向、或利用未被图案化并通过图像中继器320的能量。在一个实施方案中，拒斥能量处置单元318可以包括从激光源和放大器312以及激光图案化单元316中移除热量的被动或主动冷却元件。在其他实施方案中，拒斥能量处置单元可以包括“束流收集器(beam dump)”以吸收未被用于定义激光图案的任何束流能量并将其转换为热量。在其他实施方案中，可以使用光束成形光学器件314回收被拒斥的激光束流能量。可替代地或附加地，被拒斥的束流能量可以被引导到物品处理单元340，以用于加热或进一步图案化。在某些实施方案中，被拒斥的束流能量可以被引导到附加的能量图案化系统或物品处理单元。
在一个实施方案中，可以使用“编组站(switchyard)”式光学系统。编组站系统适合于减少增材制造系统中由于待打印图案而产生的不想要的光的拒斥所导致的光浪费。编组站涉及复合图案的重定向，从它的产生(在这种情况下，空间图案被赋予结构化或非结构化束的平面)到它通过一系列开关点的传送。可选地，每个开关点可以修改入射束的空间轮廓。编组站光学系统可用于例如且不限于基于激光的增材制造技术中，其中掩模被应用于光。有利地，在根据本公开的各种实施方案中，扔掉的能量可以以均匀形式或作为用于保持高功率效率或高通量率的图案化光被循环。而且，丢掉的能量可以回收再利用，以增加强度来打印更难的材料。
图像中继器320可以直接或通过编组站从激光图案化单元316接收图案化图像(一维或二维)，并将其引导到物品处理单元340。以类似于光速成形光学器件的方式，图像中继器320可以包括用于组合、聚焦、发散、反射、折射、调整强度、调整频率、或以其他方式成形和引导图案化的光的光学器件。图案化的光可以使用不需要实质性物理运动的可移动反射镜、棱镜、衍射光学元件、或固态光学系统来进行引导。多个透镜组件中的一个可以被配置为提供具有放大率的入射光，其中透镜组件是第一组光学透镜和第二组光学透镜，并且第二组光学透镜可以从透镜组件互换。安装在补偿架上的一组或更多组反射镜和安装在构建平台架上的最终反射镜的旋转可用于将来自前驱反射镜的入射光引导到期望的位置上。补偿架和构建平台架的平移运动也能够确保入射光从前驱反射镜物品处理单元340的距离基本上等同于图像距离。实际上，这使得能够在不同材料的构建区域的各个位置上快速改变光束传送尺寸和强度，同时确保系统的高可用性。
物品处理单元340可以包括带壁的室348和床344(共同限定构建室)，以及用于分发材料的材料分配器342。材料分配器可以分发、移除、混合、提供材料类型或颗粒尺寸的渐变或变化，或者调整材料的层厚。材料可以包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物粉末、能够经受住从固体到液体再回到固体的热诱导相变的其他可熔化材料、或者它们的组合。材料还可以包括可熔化材料和不可熔化材料的复合物，其中，成像中继系统可以选择性地瞄准任一种或两种组分，以熔化可熔化的组分，同时沿着不可熔化材料离开，或者使其经历蒸发/毁坏/燃烧或其他破坏工艺。在某些实施方案中，可以使用浆料、喷雾、涂层、线、条、或片材。可以通过使用鼓风机、真空系统、吹扫、振动、摇动、倾斜、或翻转床346来去除用于一次性使用或回收利用的不想要的材料。
除了材料处置部件之外，物品处理单元340可以包括用于保持和支撑3D结构的部件、用于加热或冷却室的机构、辅助或支撑光学器件、以及用于监测或调整材料或环境条件的传感器和控制机构。物品处理单元可以全部或部分地支持真空或惰性气体气氛，以减少不想要的化学相互作用，并减轻火灾或爆炸的风险(特别是对于活泼金属)。在一些实施方案中，可以使用各种纯的气氛或其他气氛的混合物，包括含有Ar、He、Ne、Kr、Xe、CO2、N2、O2、SF6、CH4、CO、N2O、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、i-C4H10、C4H10、1-C4H8、cic-2、C4H7、1,3-C4H6、1,2-C4H6、C5H12、n-C5H12、i-C5H12、n-C6H14、C2H3Cl、C7H16、C8H18、C10H22、C11H24、C12H26、C13H28、C14H30、C15H32、C16H34、C6H6、C6H5-CH3、C8H10、C2H5OH、CH3OH、iC4H8的那些气氛。在一些实施方案中，可以使用制冷剂或大的惰性分子(包括但不限于六氟化硫)。可以使用按体积(或数密度)计具有至少约1％的He以及选定百分比的惰性/非反应性气体的封闭气氛组成。
在某些实施方案中，多个物品处理单元或构建室(每个都具有用于容纳粉末床的构建平台)可与多个光机械组件结合使用，所述多个光机械组件被布置成接收一个或更多个入射能量束并将其引导到构建室中。多个室允许在一个或更多个构建室内同时进行一个或更多个打印作业的打印。在其他实施方案中，可拆装的室侧壁可以简化从构建室移除打印对象，允许粉末材料的快速交换。该室还可以配备可调节的过程温度控件。在另外其他的实施方案中，构建室可以被配置为可定位在激光光学器件附近的可拆装的打印机盒。在一些实施方案中，可拆装的打印机盒可以包括粉末或支持连接到粉末供应的可拆卸的连接件。在制造项目之后，可拆装的打印机盒可以被移除并替换为新的打印机盒。
在另一个实施方案中，一个或更多个物品处理单元或构建室可以具有保持在固定高度的构建室，同时光学器件可垂直移动。可以通过以相当于粉末层厚度的距离向上索引(indexing)最终光学器件，同时将构建平台保持在固定高度，来透镜组件的最终光学器件和粉末床的顶面之间的距离控制为是基本恒定的。有利的是，与垂直移动的构建平台相比，由于不需要构建平台的不断变化质量的精确微米级运动，因此可以更容易地制造大而重的对象。通常，用于体积大于0.1-0.2立方米(即，大于100-200升或重于500-1000公斤)的金属粉末的构建室将更加获益于使构建平台保持在固定的高度。
在一个实施方案中，粉末床层的一部分可以选择性地熔化或熔融，以在粉末床层的熔融部分之外形成一个或更多个临时壁，以在构建平台上包含粉末床层的另一部分。在选定的实施方案中，流体通路可以形成在一个或更多个第一壁中，以实现改进的热管理。
在一些实施方案中，增材制造系统可以包括具有支撑粉末床的构建平台的物品处理单元或构建室，粉末床能够倾斜、反转、和振动，以在料斗中使粉末床与构建平台基本上分离。形成粉末床的粉末状材料可以收集在料斗中，以便在以后的打印作业中重复使用。粉末收集过程可以是自动化的，以及真空或气体喷射系统也被用于帮助粉末转移和去除。
在一些实施方案中，增材制造系统可以被配置成容易地处置比可用的构建室长的部件。连续(长)零件可以在纵向上从第一区域顺序地前进到第二区域。在第一区域中，可将粒状材料的选定颗粒结合。在第二区域中，粒状材料的未结合颗粒可以被去除。连续零件的第一部分可以从第二区域前进到第三区域，同时连续零件的最后部分形成在第一区域内，并且第一部分在侧向和横向上保持在与第一部分在第一区域和第二区域内占据的位置相同的位置中。实际上，增材制造和清理(例如，分离和/或回收未使用或未结合的粒状材料)可以在零件输送机上的不同位置或区域并行地(即同时)被执行，而不需要为了移除粒状材料和/或零件而停机。
在另一个实施方案中，通过使用限制气体物质在壳体内部与壳体外部之间交换的壳体，可以增强增材制造能力。气闸提供了内部和外部之间的接口；内部具有多个增材制造室，包括支持粉末床熔融的那些室。气体管理系统将内部的气态氧维持在极限氧浓度或低于极限氧浓度，这增强了可用于该系统的粉末类型和处理的灵活性。
在另一制造实施方案中，可以通过将物品处理单元或构建室包含在壳体内来提高性能，构建室能够创建重量大于或等于2,000公斤的零件。气体管理系统可以将壳体内的气态氧保持在低于大气水平的浓度。在一些实施方案中，轮式车辆可以从壳体内部将该零件运输通过气闸到壳体和气闸两者外部的位置，原因是气闸操作以在壳体内的气体环境和壳体外的气体环境之间进行缓冲。
其它制造实施方案涉及从粉末床实时收集粉末样品。摄取器系统用于粉末样品在过程中的收集和表征。收集可以周期性地执行，并且表征结果导致对粉末床熔融过程的调整。该摄取器系统可以可选地用于以下中的一个或更多个：审查、过程调整或例如修改打印机参数或验证许可的粉末材料的正确使用的动作。
本发明还描述了可通过使用诸如起重机、提升门架、机械臂、或类似的操纵器设备来提供增材制造过程的另一改进，操纵器设备允许操纵对于人来说难以或不可能移动的零件。该操纵器设备能够抓住零件上的各种永久或临时的增材制造的操纵点，以使零件能够重新定位或操纵。
控制处理器350可以被连接以控制本文所述的增材制造系统300的任何部件，包括激光器、激光放大器、光学器件、热量控件、构建室、和操纵器设备。控制处理器可以连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器、和控制器以协调操作。各种传感器(包括成像器、光强度监测器、热传感器、压力传感器、或气体传感器)可以被用来提供用于进行控制或监测的信息。控制处理器可以是单个中央控制器，或者可替代地可以包括一个或更多个独立的控制系统。控制处理器350设置有允许输入制造指令的接口。使用各种传感器允许各种反馈控制机构，这提高了质量、制造通量、和能量效率。
操作适用于增材制造或减材制造的制造系统的一个实施方案在图4中被示出。在该实施方案中，流程图400示出了由所描述的光学器件和机械部件支持的制造过程的一个实施方案。在步骤402中，将材料定位在床、室、或其他合适的支撑件中。材料可以是使用减材制造技术进行激光切割的金属板，或者能够被熔化、熔融、烧结、诱导以改变晶体结构、应力模式被影响、或通过增材制造技术以其他化学或物理方式改性以形成具有所需性能的结构的粉末。
在步骤404中，未图案化的激光能量由包括但不限于固态或半导体激光器的一个或更多个能量发射器发射，且然后由一个或更多个激光放大器放大。在步骤406中，对未图案化的激光能量进行成形和修改(例如强度调制或聚焦)。在步骤408中，对该未图案化的激光能量进行图案化，在步骤410中处置未形成图案的一部分的能量(这可以包括转换为废热、再循环作为图案化或未图案化的能量、或在步骤404中通过冷却激光放大器产生的废热)。在步骤412中，现在形成一维或二维图像的图案化能量被转发向材料。在步骤414中，将图像施加于材料，或者减材处理或者增材构建3D结构的一部分。对于增材制造，可以重复这些步骤(环418)，直到图像(或不同的和随后的图像)已经被应用到材料顶层的所有必要区域。当能量施加到材料顶层结束时，可以施加新层(环416)以继续构建3D结构。这些过程循环一直持续到3D结构完成，这时剩余的过多材料可以被移除或回收。
图5是增材制造系统的一个实施方案，该增材制造系统包括能够重用图案化二维能量的编组站系统。增材制造系统520具有能量图案化系统，该能量图案化系统具有将一个或更多个连续的或间歇的激光束引导向光束成形光学器件514的激光和放大器源512。多余的热量可以被转移到拒斥能量处置单元522中。在成形之后，光束由能量图案化单元530二维图案化，通常一些能量被引导到拒斥能量处置单元522。图案化的能量由多个图像中继器532之一转发到一个或更多个物品处理单元534A、534B、534C或534D，通常作为聚焦在可移动或固定高度床附近的二维图像。床在盒内，该盒包括粉末料斗或类似的材料分配器。由图像中继器532引导的图案化激光束可以熔化、熔融、烧结、结合、改变晶体结构、影响应力模式、或以其他化学或物理方式使分配的材料改性以形成具有所需性质的结构。
在此实施方案中，拒斥能量处置单元具有多个部件以允许对被拒斥的图案化能量再利用。来自激光放大器和源112的冷却剂流体可以被引导到发电机524、加热/冷却热管理系统525或能量收集器526中的一个或更多个。另外，中继器528A、528B、和52C可以分别将能量传送到发电机524、加热/冷却热管理系统525、或能量收集器526。可选地，中继器528C可以将图案化的能量引导到图像中继器532中以用于进一步处理。在其它实施方案中，图案化的能量可以由中继器528C引导到中继器528B和528A，以插入由激光和放大器源512提供的激光束中。使用图像中继器532也可以再利用图案化图像。图像可以被重定向、反转、镜像、子图案化、或以其他方式变换以分配到一个或更多个物品处理单元534A-D。有利地，图案化光的再利用可以提高增材制造过程的能量效率，并且在某些情况下提高被引到向床的能量强度或缩短制造时间。
受益于前述描述和相关联附图中呈现的教导的本领域技术人员将会想到本发明的许多修改和其他实施方案。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案被认为被包括在所附权利要求的范围内。还应当理解，本发明的其他实施方案可以在没有本文具体公开的元素/步骤的情况下实施。

Claims (19)

1.一种制造方法，包括：
产生第一波长或第一波长范围的激光；
光泵浦具有增益介质的激光放大器，所述增益介质响应于接收到所产生的激光而放大第二波长或第二波长范围的光；
用能够吸收所述第二波长或第二波长范围的冷却剂流体冷却所述增益介质；
将所产生并放大的激光引导向物品处理单元。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述增益介质是以下中的至少一种：棒状放大器和板条放大器。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述增益介质是以下中的至少一种：Nd:YAG棒和Nd:YLF棒。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述冷却剂流体包括盐水溶液。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述冷却剂流体包括含有以下中的至少一种的盐水溶液：氯化钐、硝酸钐、硫酸钐、硝酸铜、硫酸铜、或氯化铜。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中，来自所述冷却剂流体的热量由拒斥能量处置单元处理。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中，被引导的放大的激光被图案化为二维图像。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其中，被引导的放大的激光使用光阀进行图案化。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述物品处理单元包括增材制造构建室。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述物品处理单元包括增材制造构建室，所述增材制造构建室容纳能够接收被引导的放大的激光的金属、陶瓷、塑料、玻璃金属混合体、陶瓷混合体、塑料混合体、或玻璃混合体材料中的至少一种。
11.一种使用激光放大器的制造方法，包括：
为所述激光放大器提供能够产生第一波长或第一波长范围的光的光泵浦源；
使用增益介质光泵浦所述激光放大器，所述增益介质响应于从所述光泵浦源接收到所产生的光而放大第二波长或第二波长范围的光；
提供外壳以至少部分地包围所述增益介质并容纳能够吸收所述第二波长或第二波长范围的固体基质；
用冷却剂流体冷却所述激光放大器；和
将所产生并放大的激光引导向物品处理单元。
12.根据权利要求11所述的使用激光放大器的制造方法，其中，所述固体基质限定掺杂钐或铜的晶格结构。
13.根据权利要求11所述的激光放大器，其中，所述固体基质包括以下中的至少一个：掺杂钐或铜的晶格结构或掺杂钐或铜的卵石状材料床。
14.一种制造系统，包括：
激光源，所述激光源产生第一波长或第一波长范围的光；
激光放大器，所述激光放大器具有增益介质，所述增益介质响应于接收到所产生的激光而放大第二波长或第二波长范围的光，所述激光放大器包括用能够吸收所述第二波长或第二波长范围的冷却剂流体冷却的增益介质；
激光图案化单元，所述激光图案化单元被定位为接收所放大的光并将所述放大的光进行图案化；以及
图像中继器，所述图像中继器被定位为接收所图案化且放大的光，并将所述图案化且放大的光引导向物品处理单元。
15.根据权利要求14所述的制造系统，其中，来自所述冷却剂流体的热量由拒斥能量处置单元处理。
16.根据权利要求14所述的制造系统，其中，放大的激光在空间上被图案化为二维图像。
17.根据权利要求14所述的制造系统，其中，使用光阀对放大的激光进行图案化。
18.根据权利要求14所述的制造系统，其中，所述物品处理单元包括增材制造构建室。
19.根据权利要求14所述的制造系统，其中，所述物品处理单元包括增材制造构建室，所述增材制造构建室容纳能够接收放大的且图案化的激光的金属、陶瓷、塑料、玻璃金属混合体、陶瓷混合体、塑料混合体、或玻璃混合体材料中的至少一种。
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