本文探討了 使用高功率單模光纖激光器和超快多邊形掃描儀提高加工速度的方法。

機(jī)床制造商要求在許多材料激光加工應(yīng)用中降低成本，如增材制造、薄膜燒蝕、表面構(gòu)造、清潔和箔切割。所有市場都以同樣的方式領(lǐng)先激光和光電元件供應(yīng)商，以提高可用激光功率的產(chǎn)量和產(chǎn)量。降低成本的一個(gè)可行方法是使用現(xiàn)有的機(jī)器組件，升級激光功率，并部署先進(jìn)的掃描技術(shù)，以獲得五到十倍的吞吐量。因此，他們大幅提高了每部分成本或每小時(shí)成本。

上述已建立的工業(yè)應(yīng)用主要使用激光和galvo掃描儀在顯微鏡范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程處理。這將光束偏轉(zhuǎn)限制在10 ms–1的掃描速度。在工藝質(zhì)量要求范圍內(nèi)，平均功率僅為100W。一些制造商使用具有多條光路和多個(gè)galvo掃描儀的分束器。這樣的設(shè)置很復(fù)雜，需要精確校準(zhǔn)。

在過去的十年中，IPG激光將高亮度的cw激光光源的平均功率從1 kW提高到10kw (YLR和YLS單模系列)。這里顯示的所有結(jié)果都是由典型的M2為1.1到1.5的高亮度光纖激光器完成的。此外，MITT-WEDA應(yīng)用科學(xué)大學(xué)激光研究所提供的超高速多邊形掃描儀(圖1)使光束的偏轉(zhuǎn)達(dá)到1000米S- 1，解決了處理速度的瓶頸。

圖1高速二維多邊形掃描儀：掃描儀的原理設(shè)置（a）。多邊形掃描儀安裝在加工裝置內(nèi)，并連接到3kWIPG光纖激光器（b）。

透視超快多邊形掃描儀

多邊形掃描儀使用特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)（圖1a），以最小化多邊形驅(qū)動(dòng)的二維掃描系統(tǒng)的其他可見失真。對于第二個(gè)掃描軸，使用常規(guī)振鏡軸（掃描系統(tǒng)的慢軸）。盡管反射面數(shù)量較多，但特殊多邊形反射鏡的有效面數(shù)為8。多邊形輪將入射光束的偏轉(zhuǎn)降低至直徑31 mm（自由孔徑）。因此，商用f-theta光學(xué)元件可以連接到掃描系統(tǒng)上。由此產(chǎn)生的掃描速度（偏轉(zhuǎn)激光束到樣品表面的相對速度）取決于應(yīng)用的f-θ光學(xué)元件和選擇的多邊形反射鏡旋轉(zhuǎn)速度。最大轉(zhuǎn)速超過10000轉(zhuǎn)/分。通過選擇420 mm焦距，在1.3 kHz的線頻率下，可實(shí)現(xiàn)的最大掃描速度為1000 m s–1。焦距越短，最大掃描速度越小，焦距越大，最大掃描速度越大。由于大的自由孔徑和相應(yīng)的光束直徑，可以實(shí)現(xiàn)微加工的小光斑尺寸。

除了光學(xué)裝置外，還大力開發(fā)了超快轉(zhuǎn)向電子設(shè)備，因?yàn)榭焖俟馐D(zhuǎn)需要高速電子設(shè)備來瞬時(shí)計(jì)算掃描位置并進(jìn)行額外校正。因此，掃描器中使用了一個(gè)循環(huán)時(shí)間為5ns的主要并行工作FPGA邏輯。兩個(gè)600 MHz處理器用于通信。對于所需的高速微處理，在多邊形的每個(gè)掃描線（多邊形線=快軸）期間必須處理大量數(shù)據(jù)。在最高速度下，每秒必須處理超過80MB的數(shù)據(jù)。由于在特定掃描位置（實(shí)時(shí)系統(tǒng)）需要額外的即時(shí)數(shù)據(jù)輸出，因此不可能進(jìn)行動(dòng)態(tài)傳輸。因此，多邊形掃描儀本身包含1 GB的DDR Ram，最大數(shù)據(jù)速率為每秒800 MB。

掃描儀可以在三種不同的操作模式下工作：在位圖模式下，高達(dá)32位的灰色編碼位圖表示必須應(yīng)用于每個(gè)掃描位置的激光功率。在深度貼圖模式下，內(nèi)部存儲的位圖包含每個(gè)掃描位置的深度信息。通過對整個(gè)掃描場進(jìn)行多次循環(huán)輻照，可以進(jìn)行2.5D雕刻。在矢量模式下，將STL文件（表面細(xì)分語言）加載到內(nèi)存中，多邊形掃描儀根據(jù)選擇性激光燒結(jié)的需要對3D數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)切片。對于三種操作模式以及快速掃描速度下所需的微處理，必須應(yīng)用高功率激光器的快速切換。到目前為止，該掃描儀已使用高達(dá)3kW的連續(xù)激光源、峰值功率高達(dá)10kW的納秒脈沖系統(tǒng)和超短脈沖系統(tǒng)進(jìn)行了測試。進(jìn)一步的步驟將是應(yīng)用10kW的單模連續(xù)光纖激光器系統(tǒng)。

高亮度光纖激光器

由于超快多邊形掃描儀的可用性，近年來短脈沖和連續(xù)高亮度光纖激光光源所需的功率水平迅速增加。IPG激光器迅速滿足了需求。這突顯了該行業(yè)最深層次的垂直整合商業(yè)模式所帶來的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。IPG從“原材料”開始，在公司內(nèi)部制造泵浦二極管、光纖、光學(xué)、機(jī)械甚至電子產(chǎn)品?？刂乒?yīng)鏈中的幾個(gè)步驟是以最具競爭力的成本向市場提供領(lǐng)先的高亮度光源的關(guān)鍵因素。

如今，客戶可以為其應(yīng)用選擇200-1000 W、1-2 mJ、M2<2、10 kHz和4 MHz之間的脈沖重復(fù)率，以及20-1500 ns之間的脈沖持續(xù)時(shí)間。特別是對于MHz范圍內(nèi)的高重復(fù)率，通常需要超快的掃描速度。300W電源的緊湊尺寸為466×678×177毫米，可輕松集成到19英寸機(jī)架中（圖2）。

圖2新型高重復(fù)率鐿納秒脈沖光纖激光器機(jī)架系列，用于超快掃描速度（a）；YLS單模大功率光纖激光器系列，3kW和10kW單模（b）。

此外，連續(xù)波單模光纖激光器通過提高創(chuàng)新光纖模塊的效率，提高了平均功率。如今，單模塊功率高達(dá)2 kW。通過獨(dú)特的泵浦模塊和功率放大器設(shè)置，IPG可提供高達(dá)10 kW的功率，而不會影響光束質(zhì)量（M2通常為1.1–1.3）。尤其是對于遠(yuǎn)程過程，這種高光束質(zhì)量使掃描場比多模激光器（例如，100–200μm的芯徑）高10到40倍。

IPG提供高達(dá)2 kW的YLR系列單模光纖激光器，可用于高達(dá)10 kW的YLS系列的緊湊19英寸機(jī)架和機(jī)柜系統(tǒng)。這兩個(gè)系列都具有40%的出色壁塞效率。

快速和超快掃描速度的影響

在對試樣施加快速和超快光束偏轉(zhuǎn)時(shí)，必須考慮激光輻射與試樣的相互作用時(shí)間大幅縮短這一事實(shí)。根據(jù)與激光束的相對位置，即使對于脈沖ns激光系統(tǒng)，每個(gè)表面積的相互作用時(shí)間也在變化（圖3）。通過進(jìn)一步增加掃描速度，在標(biāo)稱脈沖持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)具有相互作用時(shí)間的表面積逐漸減小。

圖3單脈沖（τH=30 ns，w86=18μm）在100 ms–1（a）和1000 ms–1掃描速度（b）下，在SiN處應(yīng)用相同的參數(shù)。陰影區(qū)域顯示了輻照試樣表面的下降區(qū)域（以增加的掃描速度），在該區(qū)域，標(biāo)稱脈沖持續(xù)時(shí)間相互作用。

對于掃描速度為100m s–1、脈沖持續(xù)時(shí)間為數(shù)十納秒的情況，可以忽略額外伸長（圖3a；每側(cè)減小約3μm）或標(biāo)稱交互作用區(qū)的減小。在這種情況下，產(chǎn)生的材料行為沒有偏離靜態(tài)激光束的單個(gè)脈沖行為。與此相反，在圖3b（額外延伸30μm）中可以清楚地觀察到，由于高偏轉(zhuǎn)速度的影響，標(biāo)稱“脈沖”持續(xù)時(shí)間相互作用區(qū)（陰影區(qū)域）急劇減少。因此，在標(biāo)稱持續(xù)時(shí)間之外的區(qū)域，表演流暢性急劇下降。在這種情況下，必須預(yù)期材料性能的偏差。

對于高速掃描的高功率連續(xù)激光器，相互作用時(shí)間和材料行為（長脈沖或短脈沖行為）可直接由掃描速度和光斑大小控制。關(guān)于圖3b所示的掃描速度，連續(xù)激光的相互作用時(shí)間將等于脈沖ns系統(tǒng)，脈沖持續(xù)時(shí)間（ns）等于掃描連續(xù)激光系統(tǒng)的焦徑（μm）。

然而，到目前為止，掃描速度并沒有克服材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)速度。因此，將連續(xù)波系統(tǒng)“轉(zhuǎn)換”為短脈沖或長脈沖ns系統(tǒng)的這種效應(yīng)已被考慮在內(nèi)。

通過使用多邊形掃描儀的位圖模式，可以實(shí)現(xiàn)高精度的大型曲面修改（圖4）。激光器由一個(gè)由多邊形掃描儀驅(qū)動(dòng)的外部AOM快速切換。

圖4選擇性去除6“硅片（hatch=30μm，Pcw=400 W，v=200 ms-1，w86=40μm）的氮化硅層（Si3N4）。整個(gè)硅片的處理時(shí)間=20 s（a）；分辨率測試。激光打印DIN A4頁面，高度為10 mm（b）

整個(gè)掃描場的高分辨率和低分辨率清晰可見。對于420 mm的應(yīng)用焦距，達(dá)到的精度優(yōu)于20μm。與傳統(tǒng)galvo掃描系統(tǒng)相比，填充速度快10倍以上。

應(yīng)用多邊形掃描儀的深度映射模式，還可以選擇高功率連續(xù)激光作為2.5D高速雕刻的光源。通常情況下，連續(xù)波輻射會產(chǎn)生較大的熔池，但快速的掃描速度和由此產(chǎn)生的短交互時(shí)間允許在沒有熔融微觀結(jié)構(gòu)的情況下雕刻金屬(圖5a)。

圖5 2.5-D不銹鋼316L的微觀結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用200 m s–1的掃描速度導(dǎo)致激光束與材料表面的有效相互作用時(shí)間為100 ns。這相當(dāng)于傳統(tǒng)調(diào)Q激光器系統(tǒng)的脈沖時(shí)間。值得注意的是，每道2–3μm的高去除率仍在研究中。

此外，脈沖激光源正導(dǎo)致人們對燒蝕過程有很好的了解。使用多邊形掃描儀，速度僅受激光脈沖重復(fù)頻率的限制。如今，高達(dá)50 ms–1的反射速度可用于1 kW短脈沖光纖激光器（圖5b）。

最有前途但最復(fù)雜的操作模式是多邊形掃描儀的矢量模式。可以將2D或3D結(jié)構(gòu)加載到掃描頭中。掃描儀根據(jù)激光束在x、y和z位置相對于樣品/粉末表面的相對位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以找到相交的掃描矢量。這使得多邊形掃描儀可以應(yīng)用于快速成型應(yīng)用領(lǐng)域（圖6）。

圖6帶多邊形掃描儀的微燒結(jié)試樣：燒結(jié)區(qū)，燒結(jié)層厚20μm，掃描速度為50 ms–1。

多邊形掃描儀的應(yīng)用可以在高分辨率下實(shí)現(xiàn)最高的構(gòu)建率。然而，選擇性激光燒結(jié)需要產(chǎn)生或多或少的大熔池。材料中熔融相的速度僅取決于材料的熱傳導(dǎo)。因此，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定過程的最大掃描速度實(shí)際上是有限的。Mittweida激光研究所目前正在研究幾種方法來克服這一瓶頸。

總結(jié)

過去十年以來，高亮度光纖激光器已成為公認(rèn)的工業(yè)激光源。

緊湊的尺寸、可用的功率水平和價(jià)格的降低為增材制造、表面紋理處理、清潔和精密切割市場的高通量應(yīng)用開辟了新的商業(yè)案例。通過多邊形掃描儀實(shí)現(xiàn)的超快光束偏轉(zhuǎn)解決了將可用激光功率引入加工速度的瓶頸。一種新的工藝參數(shù)體系通過緊密聚焦實(shí)現(xiàn)高分辨率，并通過短ns持續(xù)時(shí)間內(nèi)的短相互作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)質(zhì)量增益，無論是短脈沖還是連續(xù)光纖激光器。最后，下一代機(jī)器生產(chǎn)的每小時(shí)成本或每部分成本大幅下降，最終客戶因此受益。

來源：Laser Technik Journal - 2017 - Streek - Ultrafast Material Processing with High‐Brightness Fiber Lasers，DOI: 10.1002/latj.201700022