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(yi) 提高加工速度的方法。

機床製造商要求在許多材料激光加工應用中降低成本，如增材製造、薄膜燒蝕、表麵構造、清潔和箔切割。所有市場都以同樣的方式領先激光和光電元件供應商，以提高可用激光功率的產(chan) 量和產(chan) 量。降低成本的一個(ge) 可行方法是使用現有的機器組件，升級激光功率，並部署先進的掃描技術，以獲得五到十倍的吞吐量。因此，他們(men) 大幅提高了每部分成本或每小時成本。

上述已建立的工業(ye) 應用主要使用激光和galvo掃描儀(yi) 在顯微鏡範圍內(nei) 進行遠程處理。這將光束偏轉限製在10 ms–1的掃描速度。在工藝質量要求範圍內(nei) ，平均功率僅(jin) 為(wei) 100W。一些製造商使用具有多條光路和多個(ge) galvo掃描儀(yi) 的分束器。這樣的設置很複雜，需要精確校準。

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(cong) 1 kW提高到10kw (YLR和YLS單模係列)。這裏顯示的所有結果都是由典型的M2為(wei) 1.1到1.5的高亮度光纖激光器完成的。此外，MITT-WEDA應用科學大學激光研究所提供的超高速多邊形掃描儀(yi) (圖1)使光束的偏轉達到1000米S- 1，解決(jue) 了處理速度的瓶頸。

圖1高速二維多邊形掃描儀(yi) ：掃描儀(yi) 的原理設置（a）。多邊形掃描儀(yi) 安裝在加工裝置內(nei) ，並連接到3kWIPG光纖激光器（b）。

透視超快多邊形掃描儀(yi)

多邊形掃描儀(yi) 使用特殊的光學設計（圖1a），以最小化多邊形驅動的二維掃描係統的其他可見失真。對於(yu) 第二個(ge) 掃描軸，使用常規振鏡軸（掃描係統的慢軸）。盡管反射麵數量較多，但特殊多邊形反射鏡的有效麵數為(wei) 8。多邊形輪將入射光束的偏轉降低至直徑31 mm（自由孔徑）。因此，商用f-theta光學元件可以連接到掃描係統上。由此產(chan) 生的掃描速度（偏轉激光束到樣品表麵的相對速度）取決(jue) 於(yu) 應用的f-θ光學元件和選擇的多邊形反射鏡旋轉速度。最大轉速超過10000轉/分。通過選擇420 mm焦距，在1.3 kHz的線頻率下，可實現的最大掃描速度為(wei) 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。由於(yu) 大的自由孔徑和相應的光束直徑，可以實現微加工的小光斑尺寸。

除了光學裝置外，還大力開發了超快轉向電子設備，因為(wei) 快速光束偏轉需要高速電子設備來瞬時計算掃描位置並進行額外校正。因此，掃描器中使用了一個(ge) 循環時間為(wei) 5ns的主要並行工作FPGA邏輯。兩(liang) 個(ge) 600 MHz處理器用於(yu) 通信。對於(yu) 所需的高速微處理，在多邊形的每個(ge) 掃描線（多邊形線=快軸）期間必須處理大量數據。在最高速度下，每秒必須處理超過80MB的數據。由於(yu) 在特定掃描位置（實時係統）需要額外的即時數據輸出，因此不可能進行動態傳(chuan) 輸。因此，多邊形掃描儀(yi) 本身包含1 GB的DDR Ram，最大數據速率為(wei) 每秒800 MB。

掃描儀(yi) 可以在三種不同的操作模式下工作：在位圖模式下，高達32位的灰色編碼位圖表示必須應用於(yu) 每個(ge) 掃描位置的激光功率。在深度貼圖模式下，內(nei) 部存儲(chu) 的位圖包含每個(ge) 掃描位置的深度信息。通過對整個(ge) 掃描場進行多次循環輻照，可以進行2.5D雕刻。在矢量模式下，將STL文件（表麵細分語言）加載到內(nei) 存中，多邊形掃描儀(yi) 根據選擇性激光燒結的需要對3D數據進行實時切片。對於(yu) 三種操作模式以及快速掃描速度下所需的微處理，必須應用高功率激光器的快速切換。到目前為(wei) 止，該掃描儀(yi) 已使用高達3kW的連續激光源、峰值功率高達10kW的納秒脈衝(chong) 係統和超短脈衝(chong) 係統進行了測試。進一步的步驟將是應用10kW的單模連續光纖激光器係統。

高亮度光纖激光器

由於(yu) 超快多邊形掃描儀(yi) 的可用性，近年來短脈衝(chong) 和連續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(ye) 最深層次的垂直整合商業(ye) 模式所帶來的技術領先優(you) 勢。IPG從(cong) “原材料”開始，在公司內(nei) 部製造泵浦二極管、光纖、光學、機械甚至電子產(chan) 品。控製供應鏈中的幾個(ge) 步驟是以最具競爭(zheng) 力的成本向市場提供領先的高亮度光源的關(guan) 鍵因素。

如今，客戶可以為(wei) 其應用選擇200-1000 W、1-2 mJ、M2<2、10 kHz和4 MHz之間的脈衝(chong) 重複率，以及20-1500 ns之間的脈衝(chong) 持續時間。特別是對於(yu) MHz範圍內(nei) 的高重複率，通常需要超快的掃描速度。300W電源的緊湊尺寸為(wei) 466×678×177毫米，可輕鬆集成到19英寸機架中（圖2）。

圖2新型高重複率鐿納秒脈衝(chong) 光纖激光器機架係列，用於(yu) 超快掃描速度（a）；YLS單模大功率光纖激光器係列，3kW和10kW單模（b）。

此外，連續波單模光纖激光器通過提高創新光纖模塊的效率，提高了平均功率。如今，單模塊功率高達2 kW。通過獨特的泵浦模塊和功率放大器設置，IPG可提供高達10 kW的功率，而不會(hui) 影響光束質量（M2通常為(wei) 1.1–1.3）。尤其是對於(yu) 遠程過程，這種高光束質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2 kW的YLR係列單模光纖激光器，可用於(yu) 高達10 kW的YLS係列的緊湊19英寸機架和機櫃係統。這兩(liang) 個(ge) 係列都具有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時，必須考慮激光輻射與(yu) 試樣的相互作用時間大幅縮短這一事實。根據與(yu) 激光束的相對位置，即使對於(yu) 脈衝(chong) ns激光係統，每個(ge) 表麵積的相互作用時間也在變化（圖3）。通過進一步增加掃描速度，在標稱脈衝(chong) 持續時間範圍內(nei) 具有相互作用時間的表麵積逐漸減小。

圖3單脈衝(chong) （τH=30 ns，w86=18µm）在100 ms–1（a）和1000 ms–1掃描速度（b）下，在SiN處應用相同的參數。陰影區域顯示了輻照試樣表麵的下降區域（以增加的掃描速度），在該區域，標稱脈衝(chong) 持續時間相互作用。

對於(yu) 掃描速度為(wei) 100m s–1、脈衝(chong) 持續時間為(wei) 數十納秒的情況，可以忽略額外伸長（圖3a；每側(ce) 減小約3μm）或標稱交互作用區的減小。在這種情況下，產(chan) 生的材料行為(wei) 沒有偏離靜態激光束的單個(ge) 脈衝(chong) 行為(wei) 。與(yu) 此相反，在圖3b（額外延伸30μm）中可以清楚地觀察到，由於(yu) 高偏轉速度的影響，標稱“脈衝(chong) ”持續時間相互作用區（陰影區域）急劇減少。因此，在標稱持續時間之外的區域，表演流暢性急劇下降。在這種情況下，必須預期材料性能的偏差。

對於(yu) 高速掃描的高功率連續激光器，相互作用時間和材料行為(wei) （長脈衝(chong) 或短脈衝(chong) 行為(wei) ）可直接由掃描速度和光斑大小控製。關(guan) 於(yu) 圖3b所示的掃描速度，連續激光的相互作用時間將等於(yu) 脈衝(chong) ns係統，脈衝(chong) 持續時間（ns）等於(yu) 掃描連續激光係統的焦徑（μm）。

然而，到目前為(wei) 止，掃描速度並沒有克服材料內(nei) 部的熱傳(chuan) 導速度。因此，將連續波係統“轉換”為(wei) 短脈衝(chong) 或長脈衝(chong) ns係統的這種效應已被考慮在內(nei) 。

通過使用多邊形掃描儀(yi) 的位圖模式，可以實現高精度的大型曲麵修改（圖4）。激光器由一個(ge) 由多邊形掃描儀(yi) 驅動的外部AOM快速切換。

圖4選擇性去除6“矽片（hatch=30μm，Pcw=400 W，v=200 ms-1，w86=40μm）的氮化矽層（Si3N4）。整個(ge) 矽片的處理時間=20 s（a）；分辨率測試。激光打印DIN A4頁麵，高度為(wei) 10 mm（b）

整個(ge) 掃描場的高分辨率和低分辨率清晰可見。對於(yu) 420 mm的應用焦距，達到的精度優(you) 於(yu) 20µm。與(yu) 傳(chuan) 統galvo掃描係統相比，填充速度快10倍以上。

應用多邊形掃描儀(yi) 的深度映射模式，還可以選擇高功率連續激光作為(wei) 2.5D高速雕刻的光源。通常情況下，連續波輻射會(hui) 產(chan) 生較大的熔池，但快速的掃描速度和由此產(chan) 生的短交互時間允許在沒有熔融微觀結構的情況下雕刻金屬(圖5a)。

圖5 2.5-D不鏽鋼316L的微觀結構。

應用200 m s–1的掃描速度導致激光束與(yu) 材料表麵的有效相互作用時間為(wei) 100 ns。這相當於(yu) 傳(chuan) 統調Q激光器係統的脈衝(chong) 時間。值得注意的是，每道2–3µm的高去除率仍在研究中。

此外，脈衝(chong) 激光源正導致人們(men) 對燒蝕過程有很好的了解。使用多邊形掃描儀(yi) ，速度僅(jin) 受激光脈衝(chong) 重複頻率的限製。如今，高達50 ms–1的反射速度可用於(yu) 1 kW短脈衝(chong) 光纖激光器（圖5b）。

最有前途但最複雜的操作模式是多邊形掃描儀(yi) 的矢量模式。可以將2D或3D結構加載到掃描頭中。掃描儀(yi) 根據激光束在x、y和z位置相對於(yu) 樣品/粉末表麵的相對位置進行實時計算，以找到相交的掃描矢量。這使得多邊形掃描儀(yi) 可以應用於(yu) 快速成型應用領域（圖6）。

圖6帶多邊形掃描儀(yi) 的微燒結試樣：燒結區，燒結層厚20µm，掃描速度為(wei) 50 ms–1。

多邊形掃描儀(yi) 的應用可以在高分辨率下實現最高的構建率。然而，選擇性激光燒結需要產(chan) 生或多或少的大熔池。材料中熔融相的速度僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 材料的熱傳(chuan) 導。因此，實現穩定過程的最大掃描速度實際上是有限的。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

過去十年以來，高亮度光纖激光器已成為(wei) 公認的工業(ye) 激光源。

緊湊的尺寸、可用的功率水平和價(jia) 格的降低為(wei) 增材製造、表麵紋理處理、清潔和精密切割市場的高通量應用開辟了新的商業(ye) 案例。通過多邊形掃描儀(yi) 實現的超快光束偏轉解決(jue) 了將可用激光功率引入加工速度的瓶頸。一種新的工藝參數體(ti) 係通過緊密聚焦實現高分辨率，並通過短ns持續時間內(nei) 的短相互作用時間實現質量增益，無論是短脈衝(chong) 還是連續光纖激光器。最後，下一代機器生產(chan) 的每小時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