KR20230094190A

KR20230094190A - 공진 기반 광 밸브 시스템

Info

Publication number: KR20230094190A
Application number: KR1020237011564A
Authority: KR
Inventors: 프랜시스 엘. 러드; 제임스 에이. 데무트; 앤드류 제이. 베이래미안
Original assignee: 쇠라 테크널러지스 인코포레이티드
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-06-27
Also published as: US20220134643A1; WO2022094083A1; JP2023549638A; EP4237171A1

Abstract

적층 제조 시스템은 제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하기 위한 고 출력 레이저를 포함한다. 이 시스템은 기록 빔에 응답하는 공진 기반 구조를 갖는 2D 패턴화 가능 광 밸브를 포함한다.

Description

공진 기반 광 밸브 시스템

관련 출원

본 개시 내용은 2020년 10월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제63/107,303호를 우선권으로 주장하는 특허 출원의 일부이며, 이 미국 특허 출원은 인용에 의해 전체가 포함된다.

기술 분야

본 개시 내용은 일반적으로 공진 기반 제어 구조를 포함하는 작동 광 밸브 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 고 플루언스 빔을 위한 전송 또는 반사 패터닝을 생성하기 위해 저전력 기록 빔을 사용하는 공진 기반 제어 구조의 용도에 관한 것이다.

장기간 동안 고 플루언스에서 작동할 수 있는 광을 갖는 고 출력 레이저 시스템은 적층 제조 및 패턴화된 고에너지 레이저의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있는 기타 응용 분야에 유용하다.

본 개시내용의 비제한적 및 비포괄적 실시예는 다음의 도면을 참조하여 설명되며, 달리 명시되지 않는 한 유사한 참조 번호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1a(i) 및 (ii)는 공진 기반 광 밸브를 예시한다.
도 1b는 공진 기반 광 밸브에서 반사 또는 전송 응답을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 1c(i) 및 (ii)는 공진 기반 광 밸브용 람다 매직 미러를 예시한다.
도 1d는 람다 매직 미러 공진 기반 광 밸브에서 반사 또는 전송 응답을 묘사하는 그래프를 도시한다.
도 1e는 위상 어레이 람다 매직 미러 제어 구조를 도시한다.
도 1f는 람다 매직 미러 전기-광학 활성화 제어 구조를 도시한다.
도 1g는 람다 매직 미러 전기 활성화 제어 구조를 도시한다.
도 1h는 양자점 공진 기반 광 밸브를 도시한다.
도 1i는 양자점 공진 기반 광 밸브에서 반사 또는 전송 응답을 나타내는 그래프를 예시한다.
도 1j는 제어된 회절 광 밸브에 기초한 양자점 공진을 도시한다.
도 1k는 양자점 공진 기반 위상 변화 광 밸브를 도시한다.
도 1l은 내부 전반사율 공진 기반 광 밸브를 도시한다.
도 1m(i) 및 1m(ii)는 내부 전반사율 공진 기반 광 밸브의 다른 실시예를 예시한다.
도 1n은 메타재료 공진 기반 광 밸브를 도시한다.
도 1o는 메타재료 공진 기반 광 밸브의 다른 실시예를 예시한다.
도 2는 빔 덤프, 공진 기반 광 밸브, 및 열 엔진을 지지하는 고 플루언스 광 밸브 기반 적층 제조 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3은 고 플루언스 공진 기반 광 밸브 기반 적층 제조 시스템을 도시한다.
도 4는 고 플루언스 공진 기반 광 밸브 기반 적층 제조 시스템의 다른 실시예를 예시한다.
도 5는 폐기물 에너지의 회수 및 추가 사용을 위한 스위치야드 접근을 포함하는 고 플루언스 공진 기반 광 밸브 기반 적층 제조의 또 다른 실시예를 도시한다.

이하의 설명에서, 그 일부를 형성하고 개시가 실시될 수 있는 특정 예시적인 실시예를 예시하는 방식으로 도시되는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 명세서에 개시된 개념을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 다양한 개시된 실시예에 대한 수정이 이루어질 수 있고, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예가 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다.

다음 개시에서, 적층 제도 시스템은 제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하기 위해 고 출력 레이저를 포함한다. 이 시스템은 기록 빔에 반응하는 공진 기반 구조를 갖는 2D 패턴화 가능 광 밸브를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 람다 매직 미러를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 위상 어레이 람다 매직 미러를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 전기 광학적으로 활성화된 제어 구조를 갖는 람다 매직 미러를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 전기적으로 활성화된 제어 구조를 갖는 람다 매직 미러를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 양자점 재료를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 내부 전반사 구조를 포함한다.

일부 실시예에서, 공진 기반 구조는 메타재료를 포함한다.

광 밸브(LV) 기술은 광전도체 및 액정 재료에 의존하기 때문에 픽셀 속도를 전환하는 능력이 제한된다. 현재 장치는 그룹 현상(예: 광전도체에 대한 전하 축적 또는 액정 셀에 대한 편광 지연 축적)을 사용한다. 재료가 활성화 필드(기록 빔) 또는 고 플루언스 빔과 잘 결합하도록 구조화된 공진 기반 광 밸브를 사용하면, 활성화 재료의 물리적 부피를 비교하여 작게 만들 수 있으며 인덕턴스도 유사하게 작게 만들 수 있다. 또한, 활성화 재료는 고 플루언스 빔으로 인한 결함으로 인한 손상을 크게 줄이기 위해 결함 가능성이 훨씬 낮은 고순도로 만들어질 수 있다. 또한 표준 방법을 사용하여 서로 다른 LV 기술의 복잡한 시스템 수준 결합이 필요한 스캐닝과 같은 추가 기능을 대신 단일 및 단순 공진 기반 LV를 사용하여 대체할 수 있다. 공진 기반 LV가 제공하는 추가 기능에는 단순 진폭, 복잡한 단일 빔, 구조화된 다중 빔 및/또는 전체 홀로그램 빔 스캐닝이 포함된다.

도 1a(i)는 공진 기반 광 밸브(RbLV)(100A)를 예시한다. 공진기(4A)가 증착되거나 제 2 지지 기판(5A)과 함께 부착되는 지지 기판(3A)은 공진기(4A)에 대한 캡 구조를 형성한다. λ1에서 패터닝된 저 플루언스 빔(6A)은 공진 기반 광 밸브(100A)에 들어가고 공진기(4A) 내의 제어 구조와 상호작용한다. 공진기는 λ1에서 고 플루언스 빔(7A)에서 공진하도록 구성된다. 도 1a(ii)에서 더 자세하게, 하나 또는 그 초과의 다층 스택(여기서는 두 개, 9A 및 11A가 도시됨)은 다층 스택 구조 사이에 하나 또는 그 초과의 제어 구조(들)(10A)이 배열된다. 제어 구조(10A)는 복소 굴절률의 변화에 의해 λ1에서 기록 빔(12A)에 응답한다. 이 굴절률 변경은 필터의 공진(9A, 10A 및 11A로 구성됨)을 수정하여 전송성에서 고 플루언스 빔으로 반사성으로(전송 기반(RbLV)에 대해) 또는 반사성에서 전송성(반사 기반(RbLV)에 대해)으로 전환한다. λ2에서 고 플루언스 빔(13A)이 RbLV에 들어가고 공진기(4A) 내부에서 다중 반사를 겪고, 공진기를 통과할 때마다 이 구조에 대한 고 플루언스 응답(14A)을 구축하여 결과가 제어 층에 대한 기록 빔 작용에 의존하는 반사 함수(15A)가 되도록 한다.

공진기의 제어 구조(10A)는 다양한 재료 및 다양한 현상에 대한 활성화 기반으로 구성될 수 있다. 제어 구조(10A)가 굴절률을 변경하도록 허용하는 현상은 몇 가지 예로서 열광학(재료가 λ1에서 기록 빔에 대한 응답으로 가열되지만 λ2에 흡수되지 않음), 전기광학(재료가 전계 자극에 의해 활성화되고 그 굴절률은 λ1에 의해 수정되지만 λ2에 의해 수정되지 않음), 위상 변화(재료는 λ1만의 함수로서 결정질에서 비정질로 위상 변화를 겪음) 또는 극성 복굴절(재료의 복굴절은 기록 빔의 파장 및 λ1에서의 편광 상태에 의해 수정되고 λ2에 응답하지 않음)일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

도 1b는 RbLV에서 각각의 반사 또는 전송 응답을 나타내는 그래프(100B)를 예시한다. 공진 구조가 에지 응답(16B) 또는 노치 응답(17B)으로 설계될 수 있는 두 가지 모드가 있다. 그래프는 반사 응답 또는 전송 응답으로 묘사될 수 있으며, 여기서는 고 플루언스 빔의 파장(19)의 함수로서 도시되는 정규화된 반사 응답(18B)을 갖는 반사 응답으로 표현된다. 공진기 스택의 노치 유형에 대한 정상적인 반사 응답은 그래프 17B에서 20B로 표시되고, 이는 기록 빔이 없는 경우이다(반대도 설계할 수 있음). 기록 빔이 활성화되면, 제어 구조와 상호 작용하고 (제어 구조) 굴절률을 변경하여 21B에서 볼 수 있는 공진기 응답의 변화를 일으킨다. 마찬가지로, 에지 밴드 응답(16B)에서, 기록 빔이 없을 때의 정상 응답은 22B로 표시되는 반면 활성화된 기록 빔은 23B로의 공진기 응답의 변화로 표시된다. 고 플루언스 빔의 파장은 24B로 표시되는 반면 기록 빔의 비활성화 및 활성화에 대한 응답은 각각 25B 및 26B로 표시된다. 기록 빔의 함수로서 고 플루언스 빔 응답의 변화는 27B이다.

도 1c(i) 및 (ii)는 공진 기반 광 밸브(100C)에 대한 람다 매직 미러(LMM)를 예시한다. 도 1C(i)에 도시된 일 실시예에서, λ1에서 저 플루언스 기록 빔(4C)이 LMM에 들어가 반사 노치 다층 구조에 통합되는 제어 구조의 굴절률을 수정한다. 기록 빔이 존재하지 않을 때, LMM은 고 플루언스 빔이 고 플루언스 빔(20C)에 대해 고 반사 응답을 생성하는 공진기와 상호작용하도록 설계될 수 있다. 기록 빔이 없을 때, 공진기는 고 반사 기능을 고 전송 기능으로 전환하는 고 플루언스 빔에 대해 변화된 응답을 가지며 LMM은 고 플루언스 빔(22C)에 전송성이 된다. 반대 동작도 LMM에서 설계될 수 있다. 도 1c(ii)는 공진기 층(7C) 구조 및 패터닝된 기록 빔(8C)을 보다 상세히 도시한다. 공진기 층 내의 제어 구조는 기록 빔 파장(λ1)에서 쉽게 흡수하지만 고 플루언스 파장(λ2)에서 거의 흡수하지 않는 재료로 구성된다. LMM에서 작동하는 적합한 재료의 예로는 셀렌화아연, 황화아연, 실리콘, 및 스트론튬 바륨 니오베이트를 포함한다.

도 1d는 람다 매직 미러 공진 기반 광 밸브에서 각각의 반사 또는 전송 응답을 나타내는 2개의 그래프(100D)를 예시한다. 이 재료에 대한 예시적인 흡수 곡선은 9D로 표시되며, 여기서 10D는 기록 빔의 파장 11D(나노미터 단위)의 함수로서 길이 단위(일반적으로 마이크론당)에 의해 흡수된 백분율이다. 기록 빔의 파장은 제어 구조 흡수 곡선(13D)에서 12D로 표시된다. LMM에 대한 고 플루언스 빔 응답은 기록 빔이 각각 비활성화되고 활성화될 때(15D 및 16D)의 응답과 함께 14D로 표시된다. LMM은 기록 빔에 의한 제어 구조 인덱스에 대한 열 광학 제어를 나타내며 제어 구조 인덱스에 대한 영향으로 인해 공진기가 기록 빔의 강도를 직접 적용하여 응답이 변화한다. 일부 실시예에서, 패턴화되지 않은 기록 빔 플루언스의 낮은 레벨을 적용함으로써, 작은 기록 신호가 파장 편이를 활성화할 수 있도록 공진이 스위칭 임계치 바로 아래에서 '시머링하고(simmer)'; 이 기능은 픽셀 확산을 방지하면서 더 빠른 전환 시간을 허용한다.

도 1e는 고 플루언스 빔 비기계적 빔 조향을 위한 위상 어레이가 되도록 구성된 LMM을 갖는 위상 어레이 람다 매직 미러 제어 구조(100E)를 도시한다. 제 1 실시예(2E)에서 LMM은 빔 스티어링을 위한 위상 어레이로서 사용된다. 제 2 실시예에서 LMM은 위상 지연층(4E)을 포함한다. 파장(λ1)의 그레이 스케일 패터닝된 기록 빔(5E)은 LMM 위상 어레이 구조에 들어가고 공진기 내의 제어 층의 굴절률에 영향을 미친다. 파장(λ2)의 패턴화되지 않은 고 플루언스 및 고 코히어런스 빔(high coherence beam; 6E)도 LMM에 들어가 기록 빔에 의해 제어되는 공진기와 상호 작용한다. 기록 빔이 활성화되고 제어 구조에 영향을 미치는 경우, 고 플루언스 빔은 LMM의 영향을 받는 영역에서 위상 지연을 겪고 LMM에서 패턴화된 위상 지연을 겪는다. (기록 빔의 그레이 스케일 패터닝에 의해 결정된) 공진기에 의해 부여된 코히어런트 페이징(coherent phasing)은 기록 빔이 그레이 스케일 품질을 포함하지 않거나 고 플루언스 빔이 고 코히어런시(high coherency)를 갖지 않을 때 하나에 대해 나가는 고 플루언스 빔(7E)이 조정되도록 허용한다. 기록 빔이 활성화되지 않았거나 고 플루언스 빔의 코히어런시가 감소된 영역(그 코히어런시의 업스트림 제어)에서, LMM은 고 플루언스 빔에 대한 반사기 역할을 하고 그 에너지는 8E에서 반사된다. 위상 배열 LMM의 이 묘사가 활성화될 때 전송에 표시되지만 그 반대도 설계할 수 있다.

실시예 9e는 LMM 실시예 2E의 페이징을 상세히 나타낸다. 전형적인 고 플루언스 및 고 코히어런시 빔(10E)은 기록 빔(11E)과 동일한 위치에 도달한다. 마찬가지로, LMM을 가로질러, 한 쌍의 고 플루언스 빔과 기록 빔의 과잉(12E)이 위상 배열 LMM에 들어간다. 기록 빔은 패턴화되고 그레이 스케일 강도 수준을 갖는 반면 고 플루언스 빔은 동일하게 고 코히어런시를 가지며 서로 간에 널(null) 위상 관계를 갖는다. 기록 빔은 제어 구조와 상호 작용하고 각각의 기록 빔의 강도 수준에 따라 제어 구조의 굴절률을 다양하게 수정한다. 고 플루언스 빔은 공진기와 상호 작용하고 각각의 빔은 기록 빔 강도에 따라 특정 양의 위상 지연 또는 전진을 얻는다. LMM 위상 어레이를 떠날 때, 고 플루언스 빔(13E)의 앙상블은 이제 서로 위상 관계를 갖는다. 전파량(14E)(일반적으로 앙상블의 명확한 개구의 5-10배) 후에, 위상 응답이 분명해지고 고 플루언스 빔이 나가는 앙상블의 페이저 추가인 방향성(15E)에 도달한다. 기록 빔의 공간 및 그레이스케일 패턴을 수정함으로써, 빔은 기록 빔에 의한 제어 매체의 최대 굴절률 변화와 공진기의 품질 기능에 의해 지시되는 각도 범위(16E)에 걸쳐 비기계적으로 조종될 수 있다. 이 유형의 위상 배열에서 나오는 고 플루언스 출력에는 강도에 그레이 스케일이 없다.

도 1f는 람다 매직 미러 전기-광학 활성화 제어 구조(100F)를 도시한다. 전기-광학 활성화 제어 구조(100F)는 공진기에서 적절한 제어 층의 전기(이 경우), 자기 또는 음향 활성화를 부과하도록 구성될 수 있는 예시적인 TCO 3F 층을 포함한다. 전계 향상을 통해 기록 빔은 고 플루언스 빔의 영향을 받지 않으면서 컨트롤 레이어의 복잡한 굴절률을 쉽게 조작할 수 있다. 이 예에서, 광전도체 층(4F)은 λ1에서 패터닝된 기록 빔(7F)에 응답한다. 광전도체 상의 기록 빔의 작용은 TCO 층 상에 배치된 필드가 활성화된 필드(이 경우 EO) 재료를 포함하는 공진기 구조(5F)를 가로질러 전송되도록 한다. 기록 빔이 패턴에서 활성화되면, 필드는 공진기와 내부에 묻힌 EO 재료를 가로질러 전송된다. EO 재료의 변화는 순간 유전율에 따라 달라지는 이 층의 굴절률과 함께 전계 강도의 함수로서의 유전율이며 따라서 공진의 변화이다. 공진기는 지지 기판(6F)을 통해 본 실시예에 들어가는 λ2에서 고 플루언스 빔(8F)에 반응하도록 설계된다. 기록 빔이 활성화될 때마다, EO 재료는 LMM의 공진에 변화를 일으키고 고 플루언스 빔에 대해 공진을 변화시키고; 이 동작은 고 플루언스 빔이 공진기와 상호 작용하고 패턴화된 고 플루언스 빔(9F)으로 떠날 때 기록 빔에서 동일한 패턴으로 패턴화되도록 한다. 기록 빔이 활성화되지 않은 경우, 이제 LMM의 응답이 변경되어 패턴화되지 않은 고 플루언스 빔이 기록 빔이 꺼지거나 비활성화된 상태에서 패터닝 없이 떠난다(10F).

전계 강화층은 리튬 니오브산염(LiNbO3), 인산이수소칼륨(KDP, Potassium dihydrogen phosphate), 또는 인산이중수소칼륨(KD*P, Potassium dideuterium phosphate), 인산루비듐티타닐(RTP), 삼붕산리튬(LiB3O5 또는 LBO), 인산티타늄칼륨(KTIOPO4 또는 KTP), 탄탈라이트 리튬(LiTaO3 또는 LTO), 광자기 재료(예: CdMnTe, CdMnHgTe, TdGdG 또는 유사 재료), 음향 광학 재료(LiNbO3, 용융 실리카, PZT 또는 이와 유사한 재료), 전계 강화 파장 변환기(λ2에서의 고 플루언스 빔에서 λ3에서의 고 플루언스 빔) 또는 위상 변화 재료(예: 단결정 또는 다결정 ZnSe, ZnS, Si, 극성 액정 또는 칼코게나이드 또는 유사한 재료)로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, EO 재료는 서모트로픽, 리오트로픽, 메탈로트로픽과 같은 다양한 유형의 액정(LC)이다. LC의 각각의 유형에는 네마틱(Nematic), 콜레스테릭(Cholesteric), 강유전성(Ferroelectric), 스메틱(Smetic), 블루 디스코틱(blue discotic) 및 원뿔(conic)과 같은 서로 다른 위상(안정된 엔트로피 상태)이 존재할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 알루미늄 산화아연(AZO), 황화카드뮴(CdS), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 황화인듐(In2S3), 황화납(PbS), 카드뮴 아연 텔루라이드(CdZTe), 도핑된 게르마늄(n:Ge, p:Ge) 비정질 실리콘(α-Si), 도핑된 실리콘(n:Si, p:Si) 또는 요오드화 수은(HgI2)과 같은 재료가 존재할 수 있다.

이들 재료는 공진기 생성의 일부로서 표면 상에 성장된 증착 또는 에피택셜 성장의 일부로서 벌크 상태일 수 있다. 이 애플리케이션의 일반적인 요구 사항은 재료가 공진기(성장, 증착 또는 라미네이션 공정)에 통합되어야 하고 기록 빔(λ1에서)에 응답하는 동안 고 플루언스 광(λ2 또는 λ3)에 비흡수적이어야 한다.

도 1g는 람다 매직 미러 전기 활성화 제어 구조(100G)를 도시한다. LMM 전기 활성화 제어 구조(100G)의 실시예는 공진기에 매립된 전기 제어 층으로 구성된다. 상부 지지 기판(3G) 및 하부 지지 기판(6G)은 전기적으로 활성화된 제어 층(5G)을 포함하는 공진기(4G)를 샌드위치한다. 이 실시예에서는 패터닝된 기록 빔이 필요하지 않으며, 대신 패터닝은 외부 제어 회로(10G)에 의해 공진기에 매립된 전기 매트릭스를 적절하게 활성화함으로써 수행된다. 공진은 오프 상태에서 반사적일 수 있고 온 상태에서 전송적일 수 있으며 그 반대도 동일하게 설계될 수 있다. 전기 활성화 층은 상 변화 재료, 스핀 상태 재료 또는 전기장의 인가 시 재료 유전율의 변화를 야기하는 임의의 전기 활성 재료로 구성될 수 있다. 이 실시예는 전기 인터페이스가 고 플루언스 빔 파장 범위에서 흡수를 갖지 않을 것을 요구한다. 이 특성을 가진 재료는 크기가 조정되어 나노 스케일 증착(폭 10-50nm) 금속, 몇 가지 예로서 반도체 층에 박리되고 광학적으로 부착된 반도체 재료(ZnSe, AZO 또는 이와 유사한 것)의 2D 나노시트에서 발견되는 것과 같이 최소 결합이 발생한다.

도 1h는 양자점 공진 기반 광 밸브(QDRLV)(100H)를 도시한다. QDRLV는 상부 지지 기판(3H), 양자점(QD) 공진층(4H), 및 하부 지지 기판(5H)으로 구성된다. 패터닝된 기록 빔(6H)은 QD와 상호 작용하고 패턴화되지 않은 고 플루언스 빔(7H)에 대한 QD 공진 응답을 수정하는 QD 층에 진입한다. QD의 양태는 기록 빔과 공진하고 다른 측면은 고 플루언스 빔과 공진한다. 공진(서로 다른 양태)은 작은 부피의 QD가 이 공진을 통해 고 플루언스 빔에 큰 영향을 미치도록 한다. 기록 빔이 존재하지 않거나 활성화되지 않은 위치에서, QD 공진 응답은 변화되지 않고 고 플루언스 빔이 패터닝 없이 반사된다(9H). 이전과 같이 QDRLV는 여기에서 오프/비활성화 기록 빔 상태에서 반사되는 것으로 묘사되며 그 반대도 동일하게 설계될 수 있다. QD 층의 예시적인 세부 사항은 10H에 도시되어 있는 반면, 단일 QD의 예시적인 세부 사항은 12H에 도시되어 있다. 기록 빔(11H)은 QD 층에 입사하는 반면 그것의 작은 부분(17H)은 QD에 입사하는데, 여기서 모든 기록 빔렛의 집합적 추가는 층에 있는 모든 QD의 코어와 상호 작용하고 고 플루언스 빔(도시안됨)에 대한 공진에 영향을 미치는 바람직한 효과를 갖는다.

양자점은 그 부피가 빛과 공진하도록 크기가 조정될 수 있다. 이 공진에 대한 향상은 다층 스택으로 QD를 코팅함으로써 달성될 수 있으며, 예시적인 QD가 외부 코팅층(13H)을 포함하는 12H에 도시된 예, 이러한 코팅(이 예에서)을 갖는 전체 QD의 이 크기는 설계되어, λ1에서 기록 빔이 활성화/존재하는 경우에만 λ2에서 고 플루언스 빔과 공진한다. 14H에 제어 층을 추가하는 경우와 같이 다른 층을 QD에 추가하여 파장 중 하나 또는 둘 다에 대한 공진을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제어 층이 될 수 있다. 이 층은 λ1에서 기록 빔과 상호 작용하여 QD 입자의 광학적 유효 크기를 증가시켜서 고 플루언스 빔에 공진하지 않으며, 사실상 기록 빔이 활성화될 때 또는 존재할 때 QD를 고 플루언스 빔에 대해 투명하게 만든다. QD의 코어(16H)가 기록 빔과 공진하도록 크기가 조정되기 때문에, 이 제어 층은 기록 빔과 반복적인 상호 작용을 겪게 되므로 얇은 두께의 층이 고 플루언스 빔에 큰 영향을 미치게 된다. 내부 코팅층(15H)은 고 플루언스 빔에 대한 공진을 도울 뿐만 아니라 코어의 임의의 효과가 고 플루언스 빔에 대한 원하는 효과를 왜곡하는 것으로부터 격리시키기 위해 추가될 수 있다.

QD는 코어가 파장(λ2)의 고 플루언스 빔에서 흡수가 없어야 한다는 요구 사항을 가진 다양한 재료로 구성될 수 있다. 설계에 코어 또는 클래딩 레이어가 파장(λ1)에서 기록 빔과 상호 작용하는 제어 구조가 필요한지 여부에 따라, 기록 빔에 대한 흡수율이 낮거나 높을 수 있다. 이 경우, QD는 기록 빔 상태(활성화 또는 비활성화) 중 하나에서 전체 차원이 λ2에서 공진하면서 코어가 λ1과 공진하도록 설계해야 한다. 기록 빔에 그레이 스케일을 가짐으로써 고 플루언스 빔의 그레이 스케일이 가능하다.

도 1i는 양자점 공진 기반 광 밸브(100I)에서의 반사 또는 전송 응답을 나타내는 그래프(18I)를 예시한다. 고 플루언스 빔에 의한 QD에 대한 응답 함수가 표시되며, 19I는 QD의 전송 응답이고 20I는 λ2 21I에 중심을 둔 고 플루언스 빔이 차지하는 파장 범위이다. 기록 빔이 비활성화되면(22I), QD는 고 플루언스 빔과 상호 작용하여 빔이 반사되거나 산란되게 한다. 기록 빔이 활성화되면, 제어 레이어와의 반복적인 상호 작용으로 인해 QD 레이어의 하나 또는 그 초과 또는 코어가 변경되어 광학 볼륨이 증가하고 고 플루언스 빔과의 공진 밖으로 이동하여 QD가 이 빔에 보이지 않게 되고, 높은 전송율(23I)을 허용한다. 이 예의 설계는 기록 빔을 사용한 활성화를 위한 산란/반사를 위한 것이지만, 반대의 경우 적절한 재료 및 QD 크기를 선택하여 동일하게 설계할 수 있다.

도 1j는 제어된 회절 광 밸브(100J)에 기초한 양자점 공진을 도시한다. QDR 제어 회절 LV(100J)는 상부 지지 기판(3J)을 갖고 하부 지지 기판(5J)은 파장(λ1)의 기록 빔(6J)이 활성화되는 λ2에서 고 플루언스 빔(7J)을 회절시키는 회절 격자로 구성되는 QD 층(4J)을 사이에 끼운다. 회절된 고 플루언스 빔(8J)은 기록 빔에 의해 활성화되거나 비활성화될 때 격자 주기 구조 및 QD의 광학 등가 지수에 의해 지시된 각도로 QDR-LV로부터 방출된다. 방출된 고 플루언스 광은 각진 광 전송을 제어하기 위해 홈이 있는 반사 스크린이 사용되는 쉴리렌(Schlieren) 광학 시스템(9J)을 통과한다. 쉴리렌 시스템은 각진 빛이 인쇄 베드에 전송되고(10J) 회절 구조를 통해 교란되지 않은(편향되지 않은) 통과하는 거부/반사 광(13J)을 허용하도록 설정된다. 후자는 기록 빔이 비활성화되고 QD가 빔과 공진하지 않는 QDR-LV에 고 플루언스 빔(11J)이 진입하여 고 플루언스 빔이 회절층(12J)을 통과하여 쉴리렌 시스템에서 반사되는 경우일 수 있다. 그레이 스케일은 쉴리렌 시스템에서 회절광 각도와 구멍 시스템을 제어하는 조합에 의해 제공된다. QD 층의 회절 양태를 위한 격자 구조는 표면 격자, 부피 격자 또는 나노 크기의 부피에서 QD를 제거하거나 코어가 전기광학 또는 위상 표백 가능한 재료로 구성된 경우 각 QD의 코어를 수정하여 홀로그램 유도 격자를 사용하여 구성할 수 있다.

도 1k는 양자점 공진 기반 위상 변화 광 밸브(100K)를 도시한다. QDR 상변화 기반 LV 100K는 QDR 구조(3K)를 포함한다. 파장 λ1의 패턴화된 기록 빔(4K)이 QDR에 들어가고 QD의 코어와 반복적으로 상호 작용한다. QD는 λ1과 공진하지만 λ2와는 공진하지 않으며, QD는 또한 λ2보다 훨씬 작기 때문에 QD의 등가 굴절률은 λ2가 경험하는 평균 굴절률을 수정한다. 파장(λ2)에서 패턴화되지 않은 고 플루언스 빔(5K)은 기록 빔의 강도와 지속 시간에 따라 수정된다. 기록 빔이 QD 코어의 위상 변화를 허용하기에 충분한 빔 품질이면, 고 플루언스 빔이 수정되고 기록 빔 이미지는 고 플루언스 빔이 QDR 패턴(6K)을 떠나는 것을 허용하는 편광 변화의 형태로 고 플루언스 빔으로 전송된다. 기록 빔이 QD의 코어를 변경하지 않은 경우, 고 플루언스 빔은 원래 편광을 유지한다.

QDR-위상 변화(LV)의 세부 사항은 8K, 11K 및 17K로 표시된다. QD의 코어는 결정/다결정 또는 비정질의 두 가지 상태로 존재할 수 있는 재료로 구성된다. 이 두 상태는 편광에 매우 다른 영향을 미친다. 결정 상태는 복굴절이며 고 플루언스 빔의 편광을 수정하는 반면 비정질 상태는 복굴절이 아니며 고 플루언스 빔의 편광 상태에 영향을 미치지 않는다. QD의 쉘 구조는 코어의 결정 상태에 대한 전구체를 포함하며 기록 빔의 파장(λ1)에서 영향/흡수되지 않는 반면 코어는 λ1에서 영향을 받고 흡수되며 기록 빔은 코어를 여러번 통과하고, 플루언스가 충분히 높으면 코어가 결정에서 비정질로 위상 변화를 겪게 된다. 대안적으로, 코어를 둘러싼 쉘 중 하나는 제어 레이어가 될 수 있으며 코어는 결정질-비정질 재료를 포함한다. 쉘은 충분히 가열되어 코어의 외부 부피가 상 변화를 겪게 하여 코어의 중심을 결정질 상태에 있으므로 결정질 상태로의 반전을 위한 시드 구조로 작용한다.

강도 I1의 패터닝된 기록 빔(9K)은 지속 시간 T1(펄스 폭이라고도 알려짐), K1의 반복 속도, 및 파장(λ1)에서 QDR 내의 QD 층(10K)으로 들어간다. QDR의 QD(11K)는 이 빔이 충분히 고 플루언스(= 시간 * 강도)를 갖는 경우 기록 빔에 반응할 것이다. 11K의 QD 상세는 외부 쉘(12K), 중간 쉘(13K) 및 내부 쉘(14K)로 구성된다. 이러한 쉘은 λ1에서 공진을 강화하고 기록 빔이 코어(15K) 및 QD 내의 제어 구조와 상호 작용하여 결정에서 비정질로 또는 비정질에서 결정으로 위상 변화가 발생하도록 허용하는 데 사용된다. 기록 빔(16K)의 일부는 QD에 들어가 코어 및 그 클래딩 쉘과 여러 번 상호 작용한다(공진 품질 함수 Q에 따라). 기록 빔은 결정 상태에서 비정질 상태(17K 및 18K)로 코어의 전부 또는 일부의 재료 위상 변화를 야기한다. 고 플루언스 빔은 기록 빔이 없는 QDR 영역에서 편광 변화를 겪게 되며 기록 빔이 적용된 영역에서는 고 플루언스의 편광 상태에 변화가 없다. 더 긴 펄스 폭(T2), 더 낮은 강도(I2), 및 가변 반복률(K2)을 갖는 λ1의 재설정 빔(19K)이 QD로 들어가 코어 또는 제어 층에 반응하고 코어를 천천히 가열하여 유리 전이 온도를 통과한다. 내부 셸(14K)의 전구체 또는 바람직한 결정 템플릿을 포함하는 중앙 코어의 일부는 코어의 나머지 부분에 대한 시드 구조로 작용한다. 가변 반복률은 코어가 비정질에서 결정으로 위상 변화를 겪고 QD를 결정 상태로 재설정하도록 가열 및 냉각 램프 역할을 하도록 구성된다. 고 플루언스 빔의 편광은 다시 한 번 결정 형태가 될 때 QDR을 통과할 때 경험하는 복굴절로 인해 원래 편광 상태에서 편광 변위가 있는 상태로 변경한다.

도 1l은 내부 전반사 공진 기반 광 밸브(TIRrLV)(100L)를 도시한다. 공진 기반 구조(4L)는 내부 전반사(TIR) 프리즘(3L)에 증착/부착된다. λ2에서 고 플루언스 빔(5L)이 프리즘에 들어가 6L을 굴절시킨다. 고 플루언스 빔의 입사각은 프리즘 내부의 굴절된 빔이 λ2에서 공진기(4L)의 등가 굴절률에 따라 TIR을 겪도록 되어 있다. 공진기가 파장(λ1)에서 기록 빔(7L)에 공진하고 λ1에 응답하는 제어 층을 포함하기 때문에, 공진기의 굴절률이 수정될 수 있어 λ2에 대한 TIR 조건을 허용하거나 무효화할 수 있다.

패터닝된 기록 빔(7L)은 공진기(4L)에 진입하고 공진기 내의 제어 구조를 수정하여 TIR 조건이 고 플루언스 빔(6L)에 적용되고 공진기(4L) 인터페이스에서 TIR을 겪는 λ2에서 파장대역의 굴절률을 변경하여, 기록 빔 패턴이 그 위에 각인된다(9L). 패턴화된 고 플루언스 빔은 TIRrLV을 떠나(10L) 프린트 베드에 이미징된다. 기록 빔이 활성화되지 않은 영역에서, 공진기 굴절률은 TIR을 지지하지 않으며 패턴화되지 않은 고 플루언스 빔은 공진기에 의해 영향을 받지 않고 공진기(8L)를 통과한다.

도 1m(i) 및 1m(ii)는 광 밸브(100M)에 기초한 내부 전반사율 공진의 다른 실시예를 도시한다. 도 1m(i)에 도시된 일 실시예에서, 벌크 프리즘(3M)은 공진기(4M)가 어레이의 TIR 인터페이스에 증착되거나 부착된 프리즘 어레이로 교체되었다. λ2에서 고 플루언스 빔(5<)은 프리즘 요소 세트에 들어가고 파장(λ1)에서 패터닝된 기록 빔(6M)의 상태에 따라 공진기에서 TIR을 겪게 되며 공진기로 들어가 제어 층에 영향을 준다. 기록 빔이 TIR 조건을 수정하지 않으면(λ2에 대한 TIR 조건의 굴절률 수정을 통해) 고 플루언스 빔이 영향을 받지 않고 TIRrLV를 통과한다(7M). 기록 빔이 TIR을 허용하도록 TIR 조건을 수정하면, 고 플루언스 빔은 TIR을 겪고 패턴화되고(8M) 패턴화된 고 플루언스 빔으로 TIRrLV를 떠난다.

도 1m(ii)에 도시된 다른 도시된 실시예에서, 제어 구조를 포함하는 공진기가 있는 박막 TIR 반사기(10M)가 있는 TIR 프리즘 어레이가 표시된다. 공진기와 제어 구조는 모두 λ1에 반응한다. 공진기 및 그 제어 구조(11M)는 지지 기판(12M)에 증착되거나 부착된다. 박막 TIR 필름은 모놀리식(monolithic) 및 소형(compact) 구조를 만들기 위해 공진기에 증착되거나 부착될 수도 있다. 고 플루언스 빔(13M)은 TIRrLV의 박막 버전으로 들어가고 기록 빔(14M)에 의해 지시된 TIR 조건에 따라 TiRrLV를 통과하거나(15M) TIR을 겪고 패턴화된 고 플루언스 빔으로서 TIRrLV를 떠난다(16M).

도 1n은 상부 지지 기판(3N), 메타재료 공진층(4N), 및 하부 지지 기판(5N)을 포함하는 메타재료 공진 기반 광 밸브(MmrLV)(100N)를 도시한다. λ1에서 기록 빔(6N)은 MmrLV로 들어가고 메타재료 공진층 내에 포함된 제어 구조와 상호 작용한다. 기록 빔은 파장(λ2)에서 고 플루언스 빔(7N)에 대한 구조의 복소 임피던스(complex impedance)를 수정하여 MmrLV에서 반사되거나 (설계에 의해) 영향을 받거나 받지 않고 통과하도록 한다.

또한 메타재료 공진층(8N)이 도시되어 있으며, 9N은 메타재료 층 측면도의 보다 상세한 도면이고, 11N은 예시적인 메타재료 공진기 어레이의 평면도이다. 또한 공진 구조가 구성된 지지 기판(10N)이 도시되어 있다. 단위 셀(12N)은 기본 빌딩 블록 또는 공진기(13N)와 제어 구조(14N)의 조합인 어레이를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 공진 구조는 λ1에만 응답하는 제어 구조의 작용에 따라 λ2에서 공진하는 복소 임피던스를 갖는다. 어레이 주파수(단위 셀 사이의 간격)도 λ2에 대해 공진을 가질 수 있는 반면 제어 구조는 λ1에 대해 응답하거나 모두 응답하고 공진할 수 있다.

공진기(13N)는 공진기가 취할 수 있는 다양한 형태 중 하나이며, 그 구성에 사용되는 재료도 많은 유형 중 하나일 수 있다. 이러한 공진기의 일반적인 재료에는 반도체(몇 가지 예를 들면 GaAs, AZO, CdS, 도핑된 Si), 금속 도핑된 유전체(유리 금속, AZO, 은 산화물, 구리 산화물) 또는 유전체에 캡슐화된 나노 수준의 금속이 포함된다. 메타재료는 공진기의 복소 임피던스가 λ2에서 상대 유전율, 저항률 및 투자율의 전기 및 자기 회로 특성을 인위적으로 조정할 수 있도록 한다. 제어 요소는 이러한 회로 매개변수 중 하나 사이의 결합을 수정하여 공진기의 응답을 λ2 쪽으로 또는 반대쪽으로 변화할 수 있다. 각각의 공진기 셀 구조는 λ2의 작은 크기(<10%)로 구성될 수 있으며 많은 셀이 λ2에서 고 플루언스 빔이 메타재료 공진기 어레이에 갖는 전체 거시적 복소 임피던스 응답에 기여한다. 고 플루언스 시스템과 관련하여 중요한 것은 복소 임피던스(흡수 손실을 발생시키는)의 허수항이 최소로 유지되어 가열 효과가 발생하지 않는다는 것이다. 제어 기능(14N)은 λ1에만 응답해야 한다. 이 예에서, 이러한 공진기 기본 요소 사이의 결합을 변경하여 Q(공진 품질 계수) 제어로 배치되며, 또한 다양한 모양으로 배치 및 형성될 수 있으며 다양한 재료로 구성될 수 있으며, ZnSe 또는 α-Si는 UV에서 쉽게 흡수되지만 1um에서 흡수가 6자릿수 미만이다.

도 1o는 고체 스캐너로 사용되는 MmrLV를 포함하는 메타재료 공진 기반 광 밸브(MmrLV)(100O)의 다른 실시예를 도시한다. 고체 스캐너 구조(3O), λ1의 패터닝된 기록 빔(4O), 스캔 각도 방향 1에 대한 λ3의 스캐너 제어 빔(5O), 스캔 각도 방향 2에 대한 λ4의 스캐너 제어 빔(6O), 및 λ2의 고 플루언스 빔(7O)이 도시되어 있다. 기록 및 2개의 제어 빔에 의해 활성화될 때 MmrLV에 대한 고 플루언스 빔의 응답은 패턴화되고 2D 각도(9O) 스캔된 고 플루언스 빔(80)(여기서는 반사된 변형으로 표시되지만 전송된 버전도 사용할 수 있음)이 된다.

측면도(10O)는 메타재료 공진층의 예시이고, 11O는 기본 공진기 셀(12O)의 어레이(13O)로 구성된 이 층의 상세 측면도이다. 기본 메타재료 공진기 셀은 λ2에서 공진하는 공진기(14O), λ3 또는 λ4에 응답하는 방향 제어 구조(15O), λ4 또는 λ3에 응답하는 방향 제어 구조(16O) 및 λ1에 응답하는 공진 결합 구조(17O)를 포함한다.

다양한 파장의 광범위한 레이저가 기술된 공진 기반 광 밸브 시스템과 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 가능한 레이저 유형은 가스 레이저, 화학 레이저, 염료 레이저, 금속 증기 레이저, 고체 레이저(예: 섬유), 반도체(예: 다이오드) 레이저, 자유 전자 레이저, 가스 동적 레이저, "니켈 유사" 사마륨 레이저, 라만 레이저 또는 핵 펌핑 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않습니다.

가스 레이저에는 헬륨-네온 레이저, 아르곤 레이저, 크립톤 레이저, 크세논 이온 레이저, 질소 레이저, 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저 또는 엑시머 레이저와 같은 레이저가 포함될 수 있다.

화학 레이저는 불화수소 레이저, 불화중수소 레이저, 화학적 산소-요오드 레이저(COIL) 또는 모든 기상 요오드 레이저(Agil)와 같은 레이저를 포함할 수 있다.

금속 증기 레이저는 헬륨-카드뮴(HeCd) 금속-증기 레이저, 헬륨-수은(HeHg) 금속-증기 레이저, 헬륨-셀레늄(HeSe) 금속-증기 레이저, 헬륨-은(HeAg) 금속 증기 레이저, 스트론튬 증기 레이저, 네온-구리(NeCu) 금속 증기 레이저, 구리 증기 레이저, 금 증기 레이저, 또는 망간(Mn/MnCl₂) 증기 레이저. 루비듐 또는 기타 알칼리 금속 증기 레이저도 사용할 수 있다. 고체 레이저에는 Ruby 레이저, Nd:YAG 레이저, NdCrYAG 레이저, Er:YAG 레이저, 네오디뮴 YLF(Nd:YLF) 고체 레이저, 네오디뮴 도핑 이트륨 오르토바나데이트(Nd:YVO₄) 레이저, 네오디뮴 도핑 이트륨 칼슘 옥소보레이트(Nd:YCa₄O(BO₃)³) 또는 간단히 Nd:YCOB, 네오디뮴 유리(Nd:유리) 레이저, 티타늄 사파이어(Ti:사파이어) 레이저, 툴륨 YAG(Tm:YAG) 레이저, 이테르븀 YAG(Yb:YAG) 레이저, 이테르븀:2O₃(유리 또는 세라믹) 레이저, 이테르븀 도핑 유리 레이저(막대, 판/칩 및 섬유), 홀뮴 YAG(Ho:YAG) 레이저, 크롬 ZnSe(Cr:ZnSe) 레이저, 세륨 도핑된 리튬 스트론튬(또는 칼슘) 불화알루미늄(Ce:LiSAF, Ce:LiCAF), 프로메튬 147 도핑 인산염 유리(147Pm⁺³:유리) 고체 레이저, 크롬 도핑 크리소베릴(알렉산드라이트) 레이저, 에르븀 도핑 안더븀-이테르븀 공동 도핑 유리 레이저, 3가 우라늄 도핑 불화칼슘(U:CaF₂) 고체 레이저, 2가 사마륨 도핑 불화칼슘(Sm:CaF₂) 레이저 또는 F-센터 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있다.

반도체 레이저는 GaN, InGaN, AlGaInP, AlGaAs, InGaAsP, GaInP, InGaAs, InGaAsO, GaInAsSb, 납염, 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 양자 캐스케이드 레이저, 하이브리드 실리콘 레이저, 또는 이들의 조합과 같은 레이저 매체 유형을 포함할 수 있다.

도 2는 적층 제조 시스템(200)에서 본 명세서에 개시된 것과 같은 공진 기반 광 밸브의 사용을 예시한다. 레이저 소스(202)는 레이저 전치 증폭기 및/또는 증폭기(204)를 통해 레이저 빔을 공진 기반 광 밸브(206)로 향하게 한다. 패터닝 후, 광은 프린트 베드(210) 내로 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 소스(202), 레이저 전치 증폭기 및/또는 증폭기(204), 또는 공진 기반 광 밸브(206)로부터의 열 또는 레이저 에너지는 능동적으로 또는 수동적으로 열 전달, 열 엔진, 냉각 시스템, 및 빔 덤프(beam dump; 208)로 전달될 수 있다. 광 밸브 기반 적층 제조 시스템(200)의 전체 작동은 레이저 출력 및 타이밍을 수정할 수 있는 하나 또는 그 초과의 제어기(220)에 의해 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 다양한 전치 증폭기 또는 증폭기(204)는 레이저 신호에 높은 이득을 제공하기 위해 선택적으로 사용되는 반면, 광 변조기 및 아이솔레이터는 시스템 전체에 분산되어 광 손상을 줄이거나 방지하고, 신호 대비를 개선하고, 시스템(200)의 더 낮은 에너지 부분에 대한 손상을 방지한다. 광 변조기 및 아이솔레이터는 포켈 셀, 패러데이 회전자, 패러데이 아이솔레이터, 음향 광학 반사기, 또는 볼륨 브래그 격자를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 전치 증폭기 또는 증폭기(204)는 다이오드 펌핑 또는 플래시 램프 펌핑 증폭기일 수 있고 단일 및/또는 다중 패스 또는 공동 유형 아키텍처로 구성될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 여기에서 전치 증폭기라는 용어는 열적으로 제한되지 않는 증폭기(즉, 더 작음) 대 레이저 증폭기(더 큼)를 지정하는 데 사용된다. 증폭기는 일반적으로 레이저 시스템(200)의 최종 유닛이 되도록 배치될 것이며 열 파괴 또는 과도한 열 렌징(thermal lensing)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 열 손상에 취약한 제 1 모듈이 될 것이다.

레이저 전치 증폭기는 에너지 효율에 지나치게 관심이 없는 시스템에서 사용할 수 있는 단일 패스 전치 증폭기를 포함할 수 있다. 보다 에너지 효율적인 시스템을 위해, 다중 패스 전치 증폭기는 다음 단계로 진행하기 전에 각각의 전치 증폭기(204)로부터 많은 에너지를 추출하도록 구성될 수 있다. 특정 시스템에 필요한 전치 증폭기(204)의 수는 시스템 요구 사항 및 각각의 증폭기 모듈에서 사용 가능한 저장된 에너지/이득에 의해 정의된다. 다중-패스 전치 증폭기는 각도 다중화 또는 편광 전환(예: 파장판 또는 패러데이 회전자 사용)을 통해 달성할 수 있다.

대안적으로, 전치 증폭기는 재생 증폭기 유형 구성을 갖는 공동 구조를 포함할 수 있다. 이러한 공동 구조는 일반적인 기계적인 고려 사항(공동의 길이)으로 인해 최대 펄스 길이를 제한할 수 있지만, 일부 실시예에서, "화이트 셀(white cell)" 공동이 사용될 수 있다. "화이트 셀"은 각각의 패스에 작은 각도 편차가 추가되는 다중 패스 공동 아키텍처이다. 입구 및 출구 경로를 제공함으로써 이러한 공동는 입구와 출구 사이에 매우 많은 패스를 갖도록 설계되어 증폭기의 큰 이득과 효율적인 사용을 허용한다. 화이트 셀의 한 가지 예는 축선에서 약간 벗어난 빔이 주입되고 미러가 기울어져 반사가 여러 번 통과한 후 미러에 링 패턴을 생성하는 공초점 공동(confocal cavity)이다. 주입 및 미러 각도를 조정하여 패스 수를 변경할 수 있다.

증폭기는 또한 시스템 에너지 요구 사항을 충족하기 위해 충분한 저장 에너지를 제공하는 동시에 다이오드 또는 플래시 램프 펌핑 여부에 관계없이 시스템에서 요구하는 반복 속도로 작동할 수 있도록 충분한 열 관리를 지지하는 데 사용된다. 작동 중에 생성된 열 에너지 및 레이저 에너지는 모두 열 전달, 열 엔진, 냉각 시스템, 및 빔 덤프(208)로 향할 수 있다.

증폭기는 단일 및/또는 다중 패스 또는 공동 유형 아키텍처로 구성될 수 있다. 증폭기에는 에너지 효율에 지나치게 관심이 없는 시스템에서 사용할 수 있는 단일 패스 증폭기가 포함될 수 있다. 보다 에너지 효율적인 시스템을 위해, 다음 단계로 이동하기 전에 각각의 증폭기에서 많은 에너지를 추출하도록 다중 패스 증폭기를 구성할 수 있다. 특정 시스템에 필요한 증폭기의 수는 시스템 요구 사항 및 각각의 증폭기 모듈에서 사용 가능한 저장된 에너지/이득에 의해 정의된다. 멀티패스 사전 증폭은 각도 다중화, 편광 전환(파장판, 패러데이 회전자)을 통해 달성할 수 있다. 대안적으로, 증폭기는 재생 증폭기 유형 구성을 가진 공동 구조를 포함할 수 있다. 전치 증폭기와 관련하여 논의된 바와 같이, 증폭기는 전력 증폭에 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(200)의 작동 중에 생성된 열 에너지 및 레이저 에너지는 열 전달, 열 엔진, 냉각 시스템, 및 빔 덤프(208)로 향할 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 일부 실시예에서, 빔 덤프(208)는 다른 산업 공정에 유용한 열을 제공하는 열 전달 시스템의 일부가 될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열은 기계적, 열전기적, 또는 전기적 파워를 생성하기에 적합한 열 엔진에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 연결된 구성요소의 온도를 증가시키기 위해 폐열이 사용될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 적절한 열 관리 및 광학적 절연을 갖춘 더 많은 전치 증폭기 및 증폭기를 추가하여 이 아키텍처에서 레이저 플럭스와 에너지를 확장할 수 있다. 냉각 시스템의 열 제거 특성에 대한 조정이 가능하며 펌프 속도를 높이거나 냉각 효율을 변경하여 성능을 조정하기 위해 사용된다.

도 3은 본 개시 내용에 기술된 공진 기반 광 밸브를 수용할 수 있는 적층 제조 시스템(300)을 예시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 소스 및 증폭기(들)(312)는 공진 기반 광 밸브 및 레이저 증폭기 및 전술한 바와 같은 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 적층 제조 시스템(300)은 레이저 패터닝 시스템(310)의 일부로서 1차원 또는 2차원 지향성 에너지를 제공할 수 있는 레이저를 사용한다. 일부 실시예에서, 1차원 패터닝은 선형 또는 곡선 스트립, 래스터 라인, 나선형 라인, 또는 다른 적절한 형식으로서 지향될 수 있다. 2차원 패터닝에는 분리되거나 겹치는 타일 또는 다양한 레이저 강도의 이미지가 포함될 수 있다. 사각형이 아닌 경계를 갖는 2차원 이미지 패턴이 사용될 수 있고, 겹치거나 상호 침투하는 이미지가 사용될 수 있으며, 이미지는 둘 또는 그 초과의 에너지 패터닝 시스템에 의해 제공될 수 있다. 레이저 패터닝 시스템(310)은 레이저 소스 및 증폭기(들)(312)를 사용하여 하나 또는 그 초과의 연속적 또는 간헐적 에너지 빔(들)을 빔 성형 광학 장치(314)를 향하여 지향시킨다. 성형 후, 필요한 경우, 전송형 또는 반사형 광 밸브를 포함하며, 일반적으로 일부 에너지는 거부 에너지 취급 유닛(318)으로 향하는 레이저 패터닝 유닛(316)에 의해 빔이 패턴화된다. 거부 에너지 취급 유닛은 도 1a 내지 도 1d와 관련하여 논의된 바와 같은 광 밸브의 능동 냉각에 의해 제공되는 열을 이용할 수 있다.

패터닝된 에너지는 이미지 릴레이(320)에 의해 물품 처리 유닛(340)을 향해, 일 실시예에서는 베드(346) 근처에 초점이 맞춰진 2차원 이미지(322)로서 중계된다. 베드(346)(선택적 벽(348) 포함)는 재료 분배기(342)에 의해 분배되는 재료(344)를 포함하는 챔버를 형성할 수 있다(예: 금속 분말). 이미지 릴레이(320)에 의해 유도된 패터닝된 에너지는 용융, 융합(fuse), 소결, 합병(amalgamate), 결정 구조 변경, 응력 패턴에 영향을 미치거나 그렇지 않으면 분배된 재료(344)를 화학적 또는 물리적으로 수정할 수 있어 원하는 속성을 가진 구조를 형성한다. 제어 프로세서(350)는 다양한 센서, 액추에이터, 가열 또는 냉각 시스템, 모니터 및 제어기에 연결되어 레이저 소스 및 증폭기(들)(312), 빔 성형 광학 장치(314), 레이저 패터닝 유닛(316), 및 이미지 릴레이(320), 및 시스템(300)의 임의의 다른 구성요소의 작동을 조정할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 연결은 유선 또는 무선, 연속적 또는 간헐적일 수 있고 피드백 기능을 포함할 수 있다(예를 들어, 열 가열은 감지된 온도에 따라 조정될 수 있음).

일부 실시예에서, 빔 성형 광학 장치(314)는 결합, 포커싱, 발산, 반사, 굴절, 균질화, 세기 조정, 주파수 조정, 또는 다른 방식으로 레이저 소스 및 증폭기(들)(312)로부터 수신된 하나 또는 그 초과의 레이저 빔을 레이저 패터닝 유닛(316)을 향하여 성형 및 지향하기 위해 매우 다양한 영상 광학 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각각 별개의 광 파장을 갖는 다수의 광빔은 파장 선택 거울(예를 들어, 이색성) 또는 회절 요소를 사용하여 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 빔은 다면 거울, 마이크로렌즈 및 굴절 또는 회절 광학 요소를 사용하여 균질화되거나 결합될 수 있다.

레이저 패터닝 유닛(316)은 정적 또는 동적 에너지 패터닝 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 레이저 빔은 고정 또는 이동 요소가 있는 마스크로 차단할 수 있다. 이미지 패터닝의 유연성과 용이성을 높이기 위해, 픽셀 어드레서블 마스킹, 이미지 생성 또는 전송을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 패터닝 유닛은 패터닝을 제공하기 위해 단독으로 또는 다른 패터닝 기구와 함께 어드레싱 가능한 광 밸브를 포함한다. 광 밸브는 전송형, 반사형 또는 전송형 및 반사형 요소의 조합을 사용할 수 있다. 전기적 또는 광학적 어드레싱(addressing)을 사용하여 패턴을 동적으로 수정할 수 있다. 일 실시예에서, 광학적으로 어드레싱된 전송형 광 밸브는 밸브를 통과하는 광의 편광을 회전시키는 역할을 하고, 광학적으로 어드레싱된 픽셀은 광 투사 소스에 의해 정의된 패턴을 형성한다. 다른 실시예에서, 광학적으로 어드레싱된 반사형 광 밸브는 판독 빔의 편광을 수정하기 위한 기록 빔을 포함한다. 특정 실시예에서, 광학적으로 어드레싱되지 않은 광 밸브가 사용될 수 있다. 이들은 전기적으로 어드레싱할 수 있는 픽셀 요소, 이동 가능한 미러 또는 마이크로-미러 시스템, 피에조 또는 마이크로-작동 광학 시스템, 고정 또는 이동 가능한 마스크 또는 실드, 또는 고강도 광 패터닝을 제공할 수 있는 임의의 다른 기존 시스템을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

거부 에너지 취급 유닛(318)은 패턴화되지 않고 이미지 릴레이(320)를 통과하는 에너지를 분산, 방향 전환 또는 활용하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 거부 에너지 취급 유닛(318)은 레이저 소스, 광 밸브(들), 및 증폭기(들)(312) 및 레이저 패터닝 유닛(316) 모두로부터 열을 제거하는 수동 또는 능동 냉각 요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 거부 에너지 취급 유닛은 레이저 패턴을 정의하는데 사용되지 않는 임의의 빔 에너지를 흡수하고 열로 변환하는 "빔 덤프"를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 거부된 레이저 빔 에너지는 빔 성형 광학 장치(314)를 사용하여 재활용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 거부된 빔 에너지는 가열 또는 추가 패터닝을 위해 물품 처리 유닛(340)으로 향할 수 있다. 특정 실시예에서, 거부된 빔 에너지는 추가적인 에너지 패터닝 시스템 또는 물품 처리 유닛으로 향할 수 있다.

일 실시예에서, "스위치야드(switchyard)" 스타일의 광학 시스템이 사용될 수 있다. 스위치야드 시스템은 인쇄할 패턴으로 인해 원치 않는 빛이 거부되어 적층 제조 시스템에서 낭비되는 빛을 줄이는 데 적합한다. 스위치야드에는 복잡한 패턴의 세대(이 경우, 공간 패턴이 구조화 또는 구조화되지 않은 빔에 부여되는 평면)에서 일련의 스위치 지점을 통한 전달까지의 방향 전환이 포함된다. 각각의 스위치 지점은 선택적으로 입사 빔의 공간 프로필을 수정할 수 있다. 스위치야드 광학 시스템은 예를 들어 마스크가 빛에 적용되는 레이저 기반 적층 제조 기술에 활용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 유리하게는, 본 발명에 따른 다양한 실시예에서, 버려지는 에너지는 균질화된 형태로 또는 높은 전력 효율 또는 높은 처리율을 유지하기 위해 사용되는 패턴화된 광으로서 재활용될 수 있다. 또한 버려지는 에너지를 재활용 및 재사용하여 강도를 높여 더 어려운 재료를 인쇄할 수 있다.

이미지 릴레이(320)는 레이저 패터닝 유닛(316)으로부터 직접 또는 스위치야드를 통해 패터닝된 이미지(1차원 또는 2차원)를 수신하고 그것을 물품 처리 유닛(340)을 향해 안내할 수 있다. 빔 성형 광학 장치(314)와 유사한 방식으로, 이미지 릴레이(320)는 결합, 포커싱, 발산, 반사, 굴절, 세기 조정, 주파수 조정, 또는 그렇지 않으면 패턴화된 광을 형성하고 지향시키는 광학 장치를 포함할 수 있다. 패턴이 있는 빛은 실질적인 물리적 움직임이 필요하지 않은 이동식 거울, 프리즘, 회절 광학 요소 또는 고체 광학 시스템을 사용하여 방향을 지정할 수 있다. 복수의 렌즈 조립체 중 하나는 배율을 갖는 입사광을 제공하도록 구성될 수 있으며, 렌즈 조립체는 제 1 세트의 광학 렌즈와 제 2 세트의 광학 렌즈 모두이며, 광학 렌즈의 제 2 세트는 렌즈 조립체로부터 교환 가능하다. 보정 갠트리에 장착된 하나 또는 그 초과의 미러 세트와 구축 플랫폼 갠트리에 장착된 최종 미러 세트의 회전을 사용하여 전구체 미러의 입사광을 원하는 위치로 보낼 수 있다. 보정 갠트리 및 구축 플랫폼 갠트리의 병진 이동은 또한 물품 처리 유닛(340)의 전구체 미러로부터 입사광의 거리가 이미지 거리와 실질적으로 동일함을 보장할 수 있다. 실제로 이것은 시스템의 높은 가용성을 보장하면서 다양한 재료에 대한 빌드 영역의 여러 위치에서 광학 빔 전달 크기와 강도를 신속하게 변경할 수 있다.

물품 처리 유닛(340)은 벽으로 둘러싸인 챔버(348) 및 베드(344)(집합적으로 구축 챔버를 정의함), 및 재료를 분배하기 위한 재료 분배기(342)를 포함할 수 있다. 재료 분배기(342)는 분배, 제거, 혼합, 재료 유형 또는 입자 크기의 그라데이션 또는 변화를 제공하거나 재료의 층 두께를 조정할 수 있다. 재료는 금속, 세라믹, 유리, 폴리머 분말, 고체에서 액체로 그리고 다시 고체로 열적으로 유도된 상 변화를 겪을 수 있는 다른 용융 가능한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 재료는 용융 가능한 재료와 용융 가능하지 않은 재료의 합성물을 더 포함할 수 있으며, 녹지 않는 재료를 따라 남기거나 기화/파괴/연소 또는 기타 파괴적인 과정을 거치게 하는 동안 구성 요소 중 하나 또는 둘 다는 용융 가능한 구성 요소를 용융시키기 위해 이미징 릴레이 시스템에 의해 선택적으로 표적화될 수 있다. 특정 실시예에서, 슬러리, 스프레이, 코팅, 와이어, 스트립 또는 재료 시트가 사용될 수 있다. 송풍기, 진공 시스템, 쓸기, 진동, 흔들기, 기울이기 또는 베드(346)의 반전을 사용하여 일회용 또는 재활용을 위해 불필요한 재료를 제거할 수 있다.

재료 취급 구성요소에 더하여, 물품 처리 유닛(340)은 3D 구조를 유지 및 지지하기 위한 구성요소, 챔버를 가열 또는 냉각하기 위한 기구, 보조 또는 지지 광학 장치, 및 모니터링 또는 재료 또는 환경 상태를 조정하기 위한 센서 및 제어 기구를 포함할 수 있다. 물품 처리 유닛은, 전체적으로 또는 부분적으로, 진공 또는 불활성 기체 분위기를 지지하여 원치 않는 화학적 상호 작용을 줄이고 화재 또는 폭발(특히 반응성 금속의 경우) 위험을 완화할 수 있다. 일부 실시예에서, 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, iC₄H₈을 함유하는 것을 포함하는, 다양한 순수 분위기 또는 다른 분위기의 혼합물이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉매 또는 큰 불활성 분자(육불화황을 포함하나 이에 제한되지 않음)가 사용될 수 있다. 선택된 백분율의 불활성/비반응성 가스와 함께 적어도 약 1 용적%의 He(또는 개수 밀도)를 갖는 인클로저 분위기 조성이 사용될 수 있다.

특정 실시예에서, 분말 베드를 유지하기 위한 구축 플랫폼을 각각 갖는 복수의 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버는 하나 또는 그 초과의 입사 에너지 빔을 수용하고 이를 구축 챔버로 지향시키도록 배열된 다수의 광학-기계 조립체와 함께 사용될 수 있다. 다수의 챔버를 사용하면 하나 또는 그 초과의 구축 챔버 내에서 하나 또는 그 초과의 인쇄 작업을 동시에 인쇄할 수 있다. 다른 실시예에서, 제거 가능한 챔버 측벽은 구축 챔버에서 인쇄된 물체의 제거를 단순화하여 분말 재료의 신속한 교환을 허용할 수 있다. 챔버에는 조정 가능한 공정 온도 제어 장치가 장착될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 구축 챔버는 레이저 광학 장치 근처에 위치할 수 있는 제거 가능한 프린터 카트리지로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서 제거 가능한 프린터 카트리지는 분말을 포함하거나 분말 공급원에 대한 분리 가능한 연결을 지지할 수 있다. 항목 제조 후 제거식 프린터 카트리지를 제거하고 새 프린터 카트리지로 교체할 수 있다.

다른 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버는 고정된 높이로 유지되는 구축 챔버를 가질 수 있는 반면, 광학 장치는 수직으로 이동 가능하다. 구축 플랫폼을 고정된 높이로 유지하면서 렌즈 조립체의 최종 광학 장치와 분말 베드의 상단 표면 사이의 거리는 분말 레이어의 두께와 동일한 거리만큼 최종 광학 장치를 위로 인덱싱하여 기본적으로 일정하게 관리할 수 있다. 유리하게는, 구축 플랫폼을 수직으로 이동하는 것에 비해, 크고 무거운 물체를 더 쉽게 제조할 수 있는데, 그 이유는 끊임없이 변화하는 구축 플랫폼 질량의 정밀한 미크론 스케일 이동이 필요하지 않기 때문이다. 일반적으로 부피가 ~ 0.1 - 0.2 입방미터(즉, 100 - 200 리터 초과 또는 500 - 1,000 kg 초과)인 금속 분말을 위한 구축 챔버는 구축 플랫폼을 고정 높이로 유지하는 것이 가장 좋다.

일 실시예에서, 분말 베드 층의 일부는 선택적으로 용융되거나 융합되어 분말 베드 층의 융합된 부분 외부에 하나 또는 그 초과의 임시 벽을 형성하여 구축 플랫폼의 파우더 베드의 층의 다른 부분을 함유할 수 있다. 선택된 실시예에서, 개선된 열 관리를 가능하게 하기 위해 하나 또는 그 초과의 제 1 벽에 유체 통로가 형성될 수 있다.

일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 호퍼의 구축 플랫폼으로부터 실질적으로 분말 베드를 분리하기 위해 기울이고, 뒤집고, 흔들 수 있는 분말 베드를 지지하는 구축 플랫폼을 갖는 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버를 포함할 수 있다. 분말 베드를 형성하는 분말 재료는 이후 인쇄 작업에서 재사용하기 위해 호퍼에 수집할 수 있다. 분말 수집 공정은 자동화되고 진공 청소기로 청소하거나 가스 분사 시스템을 사용하여 분말 제거 및 제거를 도울 수 있다.

일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 사용 가능한 구축 챔버보다 긴 부품을 쉽게 처리하도록 구성될 수 있다. 연속적인 (긴) 부분은 제 1 구역에서 제 2 구역으로 종방향으로 순차적으로 전진할 수 있다. 제 1 구역에서, 과립 재료의 선택된 과립이 혼합될 수 있다. 제 2 구역에서, 과립 재료의 비융합 과립을 제거할 수 있다. 연속 부분의 제 1 부분은 제 2 구역에서 제3 구역으로 전진될 수 있는 반면, 연속 부분의 마지막 부분은 제 1 구역 내에 형성되고 제 1 부분은 측면 방향 및 횡방향으로 동일한 위치에 유지되어, 제 1 부분이 제 1 구역 및 제 2 구역 내에 차지된다. 실제로, 적층 제조 및 청소(예: 사용하지 않거나 혼합되지 않은 입상 재료의 분리 및/또는 회수)는 필요 없이 부품 컨베이어의 다른 위치 또는 구역에서 병렬적으로(즉, 동시에) 수행할 수 있으며, 세분화된 재료 및/또는 부품 제거를 위해 중지할 필요가 있다.

다른 실시예에서, 적층 제조 능력은 인클로저의 내부와 인클로저의 외부 사이의 기체 물질의 교환을 제한하는 인클로저의 사용에 의해 개선될 수 있다. 에어록은 내부와 외부 사이에 인터페이스를 제공하고, 내부에는 파워 베드 퓨전을 지지하는 챔버를 포함하여 여러 적층 제조 챔버가 있다. 가스 관리 시스템은 내부의 기체 산소를 제한 산소 농도 이하로 유지하여, 시스템에서 사용할 수 있는 분말 및 처리 유형의 유연성을 높이다.

또 다른 제조 실시예에서, 인클로저 내에 포함된 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버를 가짐으로써 능력이 개선될 수 있으며, 구축 챔버는 2,000kg 이상의 중량을 갖는 부품을 생성할 수 있다. 가스 관리 시스템은 분위기 수준 아래의 농도로 인클로저 내 가스 산소를 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 바퀴 달린 차량은 에어록이 인클로저 내부의 가스 환경과 인클로저 외부의 가스 환경 사이에서 완충되도록 작동하기 때문에 에어록을 통해 인클로저 내부로부터 인클로저 및 에어록 둘다에 대해 외부 위치에 부품을 운반할 수 있다.

다른 제조 실시예는 분말 베드로부터 실시간으로 분말 샘플을 수집하는 것을 포함한다. 분말 샘플의 공정 중 수집 및 특성화를 위해 인제스터 시스템(ingester system)이 사용된다. 수집은 주기적으로 수행될 수 있으며 특성화 결과에 따라 분말 베드 융합 공정이 조정된다. 인제스터 시스템은 하나 또는 그 초과의 검사(audit), 공정 조정 또는 프린터 매개변수 수정 또는 허가된 분말 재료의 적절한 사용 확인과 같은 작업에 선택적으로 사용할 수 있다.

크레인, 리프팅 갠트리, 로봇 팔과 같은 조작기 장치 또는 인간이 하기 어렵거나 불가능한 부품의 조작을 위해 이동을 가능하게 하는 유사한 조작기 장치를 사용하여 추가 제조 공정에 대한 또 다른 개선이 제공될 수 있는 것이 설명되어 있다. 조작기 장치는 부품의 재배치 또는 조작을 가능하게 하기 위해 부품에 다양한 영구적 또는 일시적으로 부가적으로 제조된 조작 지점을 파악할 수 있다.

제어 프로세서(350)는 레이저, 레이저 증폭기, 광학 장치, 열 제어, 구축 챔버, 및 조작기 장치를 포함하여 여기에 설명된 적층 제조 시스템(300)의 임의의 구성요소를 제어하도록 연결될 수 있다. 제어 프로세서(350)는 작동을 조정하기 위해 다양한 센서, 액추에이터, 가열 또는 냉각 시스템, 모니터 및 제어기에 연결될 수 있다. 영상 장치, 광도 모니터, 열, 압력 또는 가스 센서를 포함한 광범위한 센서를 사용하여 제어 또는 모니터링에 사용되는 정보를 제공할 수 있다. 제어 프로세서는 단일 중앙 제어기이거나 대안적으로 하나 또는 그 초과의 독립적인 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어기 프로세서(350)에는 제조 명령의 입력을 허용하는 인터페이스가 제공된다. 다양한 센서를 사용하면 품질, 제조 처리량, 및 에너지 효율성을 향상시키는 다양한 피드백 제어 기구가 가능하다.

적층 또는 감축 제조에 적합한 공진 기반 광 밸브의 사용을 지지하는 제조 시스템의 작동의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 흐름도(400)는 설명된 광학 및 기계적 구성요소에 의해 지지되는 제조 공정의 일 실시예를 도시한다. 단계 402에서, 재료는 베드, 챔버, 또는 다른 적합한 지지대에 위치된다. 재료는 감산 제조 기술을 사용하는 레이저 절단용 금속판 또는 용융, 융합, 소결, 결정 구조 변경하고 스트레스 패턴의 영향을 받거나 적층 제조 기술에 의해 화학적 또는 물리적으로 수정되어 원하는 속성을 가진 구조를 성형할 수 있는 분말일 수 있다.

단계(404)에서, 패터닝되지 않은 레이저 에너지는 고체 또는 반도체 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 또는 그 초과의 에너지 이미터에 의해 방출된 다음 하나 또는 그 초과의 레이저 증폭기에 의해 증폭된다. 단계 406에서, 패터닝되지 않은 레이저 에너지가 형성되고 수정된다(예를 들어, 강도 변조 또는 포커싱). 단계(408)에서, 이 패터닝되지 않은 레이저 에너지는 공진 기반 광 밸브에 의해 패터닝되며, 패턴의 일부를 형성하지 않는 에너지는 단계(410)에서 취급된다(이는 폐열로의 변환, 패턴화 또는 비패턴화 에너지로의 재활용, 또는 단계 404에서 레이저 증폭기를 냉각함으로써 생성된 폐열을 제공하는 도 2 및 도 3에 대해 개시된 바와 같이 빔 덤프의 사용을 포함할 수 있다). 단계 412에서, 이제 1차원 또는 2차원 이미지를 형성하는 패터닝된 에너지가 재료를 향해 릴레이된다. 단계 414에서, 3D 구조의 일부를 차감 처리하거나 부가적으로 구축하여 이미지가 재료에 적용된다. 적층 가공의 경우, 이미지(또는 다른 후속 이미지)가 재료의 최상층의 모든 필요한 영역에 적용될 때까지 이러한 단계를 반복할 수 있다(루프(416)). 재료의 최상층에 대한 에너지 인가가 완료되면, 3D 구조 구축을 계속하기 위해 새로운 층이 적용될 수 있다(루프(418)). 이러한 공정 루프는 3D 구조가 완성될 때까지 계속되며, 이때 남은 잉여 재료를 제거하거나 재활용할 수 있다.

도 5는 패터닝된 2차원 에너지의 재사용을 가능하게 하는 공진 기반 광 밸브 및 스위치야드 시스템을 포함하는 적층 제조 시스템의 일 실시예이다. 적층 제조 시스템(520)은 하나 또는 그 초과의 연속적 또는 간헐적 레이저 빔(들)을 빔 성형 광학 장치(514)로 향하게 하는 레이저 및 증폭기 소스(512)를 갖는 에너지 패터닝 시스템을 갖는다. 과잉 열이 도 1a 내지 도 1d, 도 2, 도 3, 및 도 4에 대해 개시된 능동 광 밸브 냉각 시스템을 포함할 수 있는 거부 에너지 취급 유닛(522)으로 전달될 수 있다. 형상화 후, 빔은 공진 기반 재료를 기반으로 하는 에너지 패터닝 유닛(530)에 의해 2차원적으로 패터닝되며, 일반적으로 일부 에너지는 거부 에너지 취급 유닛(522)으로 향한다. 패터닝된 에너지는 다수의 이미지 릴레이(532) 중 하나에 의해 하나 또는 그 초과의 물품 처리 유닛(534A, 534B, 534C 또는 534D)을 향하여 또는 전형적으로 이동 가능하거나 고정된 높이 베드 근처에 포커싱된 2차원 이미지로서 릴레이된다. 베드는 분말 호퍼 또는 유사한 재료 디스펜서를 포함하는 카트리지 내부에 있을 수 있다. 이미지 릴레이(532)에 의해 지향되는 패턴화된 레이저 빔은 용융, 융합, 소결, 병합, 결정 구조 변경, 응력 패턴에 영향을 미치거나 원하는 특성을 갖는 구조를 형성하기 위해 분배된 재료를 화학적 또는 물리적으로 수정할 수 있다.

이 실시예에서, 거부 에너지 취급 유닛은 거부된 패터닝된 에너지의 재사용을 허용하기 위해 다수의 구성요소를 갖는다. 레이저 증폭기 및 소스(512)로부터의 냉각제 유체는 발전기(524), 가열/냉각 열 관리 시스템(525) 또는 에너지 덤프(526) 중 하나 또는 그 초과로 향할 수 있다. 추가적으로, 릴레이(528A, 528B, 528C)는 각각 에너지를 발전기(524), 가열/냉각 열 관리 시스템(525) 또는 에너지 덤프(526)에 전달할 수 있다. 선택적으로, 릴레이(528C)는 추가 처리를 위해 패턴 에너지를 이미지 릴레이(532)로 보낼 수 있다. 다른 실시예에서, 패턴화된 에너지는 레이저 및 증폭기 소스(512)에 의해 제공된 레이저 빔(들)에 삽입하기 위해 릴레이(528C)에 의해 릴레이(528B 및 528A)로 지향할 수 있다. 이미지 릴레이(532)를 사용하여 패턴화된 이미지의 재사용이 또한 가능하다. 재지향, 반전, 미러링, 하위 패턴화, 또는 하나 또는 그 초과의 물품 처리 유닛(534A 내지 534D)으로의 배포를 위해 변환된다. 유리하게는 패턴광의 재사용은 적층 제조 공정의 에너지 효율을 개선할 수 있고, 경우에 따라 베드에 향하는 에너지 강도를 개선하거나 제조 시간을 단축할 수 있다.

본 발명의 많은 수정 및 다른 실시예는 전술한 설명 및 관련 도면에 제시된 교시의 이점을 갖는 당업자의 마음에 떠오를 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 수정 및 실시예는 첨부된 청구 범위 내에 포함되도록 의도된다는 것이 이해된다. 또한 본 발명의 다른 실시예가 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 요소/단계 없이 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

적층 제조 시스템으로서,
제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하는 고 출력 레이저; 및
기록 빔에 반응하는 공진 기반 구조를 갖는 2D 패터닝 가능 광 밸브를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 위상 어레이 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 전기 광학적으로 활성화된 제어 구조를 갖는 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 전기적으로 활성화된 제어 구조를 갖는 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 양자점 재료를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 내부 전반사 구조를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 양자점 재료를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 메타재료를 포함하는, 적층 제조 시스템.
제 1 항에 있어서,
공진 기반 구조를 갖는 2D 패턴화 가능 광 밸브는 내부 전반사율을 사용하여 작동하는, 적층 제조 시스템.
적층 제조 방법으로서,
고 출력 레이저를 제공하여 제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하는 단계; 및
상기 고 플루언스 레이저 빔을 수신하기 위해 2D 패턴화 가능 광 밸브를 위치 설정하는 단계로서, 상기 2D 패턴화 가능 광 밸브가 기록 빔에 응답하는 공진 기반 구조를 갖는, 단계를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 1O 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 위상 어레이 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 전기 광학적으로 활성화된 제어 구조를 갖는 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 전기 활성화 제어 구조를 갖는 람다 매직 미러를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 양자점 재료를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 내부 전반사 구조를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 양자점 재료를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 공진 기반 구조는 메타재료를 포함하는, 적층 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
2D 패턴화 가능 광 밸브는 내부 전반사율을 사용하여 작동하는 공진 기반 구조를 갖는, 적층 제조 방법.