文/深圳市寶辰鑫激光科技有限公司

金屬3D打印技術(shù)是一種革命性的制造技術(shù)，其發(fā)展得到了廣泛關(guān)注。隨著材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的快速成型和原型制作應(yīng)用，發(fā)展成為可以生產(chǎn)高強(qiáng)度、高性能金屬零件的成熟技術(shù)。如圖1所示，3D打印技術(shù)在醫(yī)療、航空航天、精密模具等領(lǐng)域有舉足輕重的作用。

激光器是實(shí)現(xiàn)金屬3D打印的關(guān)鍵部件，高精密金屬材料打印對(duì)激光器提出了新的需求，不僅要求激光器具有緊湊、高光束質(zhì)量、高可靠性的特點(diǎn)，若能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)激光功率監(jiān)控以及實(shí)時(shí)激光功率補(bǔ)償功能，將能更好地保證激光功率長(zhǎng)時(shí)間輸出的穩(wěn)定性，從而保障工件的打印質(zhì)量，這對(duì)于推動(dòng)數(shù)字化、智能化制造有著極為重要的作用。

圖1：3D打印應(yīng)用領(lǐng)域。

針對(duì)應(yīng)用于3D打印激光器輸出穩(wěn)定性的痛點(diǎn)，本文基于寶辰鑫自主研發(fā)的3D打印專用水冷連續(xù)激光器，通過對(duì)光源控制模塊的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性、高線性度的功率輸出。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）激光器光路

激光器的光路系統(tǒng)如圖2所示，紅光激光器起指示作用，兩個(gè)915nm半導(dǎo)體LD泵源通過（2+1）×1合束器注入激光諧振腔。諧振腔由一對(duì)工作在1080nm的高反光纖光柵（HR）和低反光纖光柵（LR）組成，通過優(yōu)化光纖光柵的反射率和3dB光譜帶寬，保證激光在其中持續(xù)振蕩并選模。

有源光纖扮演增益介質(zhì)的角色，將輸入的半導(dǎo)體泵源信號(hào)轉(zhuǎn)換成中心波長(zhǎng)為1080nm的激光，并在振蕩中進(jìn)行放大。有源光纖采用雙包層技術(shù)，可提高泵浦光的吸收效率，使得光纖激光器能夠降低整機(jī)功耗。

為防止高功率激光輸出下光束質(zhì)量的劣化，利用小芯徑光纖導(dǎo)入以及熔接技術(shù)保持基模傳輸，同時(shí)憑借剝模器對(duì)高階模進(jìn)行濾除，并最終輸出（QBH）。

圖2：激光器工作原理簡(jiǎn)圖。

（2）光源控制模塊

激光器光源控制如圖3所示，其中主控制采用并行的高速邏輯處理芯片，能夠達(dá)到ns級(jí)的控制響應(yīng)速度。輸入輸出接口則采用高速的數(shù)字量和模擬量隔離光耦，由此保證激光器控制的高速與一致性。同時(shí)配合高精度電流控制模塊，保證光源供電的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)輸出激光功率的高穩(wěn)定性。

不僅如此，得益于完善的控制IO，包括互鎖信號(hào)、急停信號(hào)、外部IO使能信號(hào)、調(diào)制信號(hào)以及功率模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的精確控制。其中對(duì)關(guān)鍵輸入信號(hào)的反饋輸出，可分別從溫度、電流、水流量和光信號(hào)等方面，全方位保障激光器故障自動(dòng)化檢測(cè)機(jī)制的正常運(yùn)行。

圖3：光源控制框圖。

（3）外觀設(shè)計(jì)

圖4所示為激光器最終外觀圖，激光器整個(gè)尺寸是標(biāo)準(zhǔn)的1U機(jī)箱，體積相對(duì)于傳統(tǒng)的單模連續(xù)光纖激光器，優(yōu)化了接近2/3，在成本與重量方面實(shí)現(xiàn)小型化，操作便捷，整體免維護(hù)，可直接集成至用戶設(shè)備。

得益于高效的水冷系統(tǒng)，通過對(duì)熱源的精準(zhǔn)計(jì)算，仿真模擬水冷系統(tǒng)散熱能力以實(shí)現(xiàn)高功率、高效率散熱，滿足激光器長(zhǎng)時(shí)間的工作需求。

圖4：激光器外觀圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）輸出功率線性度

對(duì)激光器進(jìn)行功率校準(zhǔn)，其輸出功率的變化如圖5所示，從10%-100%滿功率調(diào)節(jié)的范圍來看，激光器輸出功率具有達(dá)到1%的極佳功率線性度。

圖5：功率輸出變化圖。

（2）出光延時(shí)

延時(shí)信號(hào)的探測(cè)結(jié)果如圖6所示，從監(jiān)測(cè)到開光信號(hào)到激光輸出，探測(cè)到最小延時(shí)可低至5~6μs，是傳統(tǒng)激光器開啟時(shí)間的1/10，有效提高了實(shí)際加工效率及一致性。

圖6：延時(shí)信號(hào)。

（3）其他輸出特性

通過優(yōu)化激光器光學(xué)設(shè)計(jì)，改進(jìn)冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光器的高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量輸出，具體特性如下：

● 激光輸出功率包括300W/500W/1000W，調(diào)節(jié)范圍5%-100%，短時(shí)功率穩(wěn)定性在±1%@24h，長(zhǎng)時(shí)功率穩(wěn)定性在±1.5%，確保打印過程中的熔化和固化可靠性、高質(zhì)量。

 ● 光束質(zhì)量因子M²≤1.1@14UM以及M²≤1.2@20UM。

 ● 電光轉(zhuǎn)換最高可達(dá)40%，降低能源消耗，效率提升。

 ● 中心波長(zhǎng)1080±10nm，光譜帶寬（3dB）為3~5nm。

 ● 焦點(diǎn)可調(diào)范圍±4mm，適用不同焦距需求。

 ● 工作模式可以連續(xù)或者調(diào)制頻率（20kHz）進(jìn)行輸出。

結(jié)語

基于寶辰鑫自主研發(fā)的3D打印專用水冷連續(xù)激光器，通過對(duì)光源控制模塊的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性、高線性度的功率輸出，確保3D打印過程中的熔化和固化的可靠性和高質(zhì)量；同時(shí)，從監(jiān)測(cè)到開光信號(hào)到激光輸出，探測(cè)到5~6μs的最小延時(shí)，可有效提高3D實(shí)際加工的效率和一致性。