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。
機床制造商要求在許多材料激光加工應用中降低成本，如增材制造、薄膜燒蝕、表面構造、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量和產量。降低成本的一個可行方法是使用現有的機器組件，升級激光功率，并部署先進的掃描技術，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成本。
上述已建立的工業應用主要使用激光和galvo掃描儀在顯微鏡范圍內進行遠程處理。這將光束偏轉限制在10 ms–1的掃描速度。在工藝質量要求范圍內，平均功率僅為100W。一些制造商使用具有多條光路和多個galvo掃描儀的分束器。這樣的設置很復雜，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1 kW提高到10kw (YLR和YLS單模系列)。這里顯示的所有結果都是由典型的M2為1.1到1.5的高亮度光纖激光器完成的。此外，MITT-WEDA應用科學大學激光研究所提供的超高速多邊形掃描儀(圖1)使光束的偏轉達到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：掃描儀的原理設置（a）。多邊形掃描儀安裝在加工裝置內，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設計（圖1a），以最小化多邊形驅動的二維掃描系統的其他可見失真。對于第二個掃描軸，使用常規振鏡軸（掃描系統的慢軸）。盡管反射面數量較多，但特殊多邊形反射鏡的有效面數為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系統上。由此產生的掃描速度（偏轉激光束到樣品表面的相對速度）取決于應用的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，因為快速光束偏轉需要高速電子設備來瞬時計算掃描位置并進行額外校正。因此，掃描器中使用了一個循環時間為5ns的主要并行工作FPGA邏輯。兩個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。由于在特定掃描位置（實時系統）需要額外的即時數據輸出，因此不可能進行動態傳輸。因此，多邊形掃描儀本身包含1 GB的DDR Ram，最大數據速率為每秒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32位的灰色編碼位圖表示必須應用于每個掃描位置的激光功率。在深度貼圖模式下，內部存儲的位圖包含每個掃描位置的深度信息。通過對整個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（表面細分語言）加載到內存中，多邊形掃描儀根據選擇性激光燒結的需要對3D數據進行實時切片。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3kW的連續激光源、峰值功率高達10kW的納秒脈沖系統和超短脈沖系統進行了測試。進一步的步驟將是應用10kW的單模連續光纖激光器系統。
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。這突顯了該行業最深層次的垂直整合商業模式所帶來的技術領先優勢。IPG從“原材料”開始，在公司內部制造泵浦二極管、光纖、光學、機械甚至電子產品。控制供應鏈中的幾個步驟是以最具競爭力的成本向市場提供領先的高亮度光源的關鍵因素。
如今，客戶可以為其應用選擇200-1000 W、1-2 mJ、M2<2、10 kHz和4 MHz之間的脈沖重復率，以及20-1500 ns之間的脈沖持續時間。特別是對于MHz范圍內的高重復率，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英寸機架中（圖2）。
圖2新型高重復率鐿納秒脈沖光纖激光器機架系列，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，而不會影響光束質量（M2通常為1.1–1.3）。尤其是對于遠程過程，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系列單模光纖激光器，可用于高達10 kW的YLS系列的緊湊19英寸機架和機柜系統。這兩個系列都具有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時，必須考慮激光輻射與試樣的相互作用時間大幅縮短這一事實。根據與激光束的相對位置，即使對于脈沖ns激光系統，每個表面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，在標稱脈沖持續時間范圍內具有相互作用時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處應用相同的參數。陰影區域顯示了輻照試樣表面的下降區域（以增加的掃描速度），在該區域，標稱脈沖持續時間相互作用。
對于掃描速度為100m s–1、脈沖持續時間為數十納秒的情況，可以忽略額外伸長（圖3a；每側減小約3μm）或標稱交互作用區的減小。在這種情況下，產生的材料行為沒有偏離靜態激光束的單個脈沖行為。與此相反，在圖3b（額外延伸30μm）中可以清楚地觀察到，由于高偏轉速度的影響，標稱“脈沖”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。
對于高速掃描的高功率連續激光器，相互作用時間和材料行為（長脈沖或短脈沖行為）可直接由掃描速度和光斑大小控制。關于圖3b所示的掃描速度，連續激光的相互作用時間將等于脈沖ns系統，脈沖持續時間（ns）等于掃描連續激光系統的焦徑（μm）。
然而，到目前為止，掃描速度并沒有克服材料內部的熱傳導速度。因此，將連續波系統“轉換”為短脈沖或長脈沖ns系統的這種效應已被考慮在內。
通過使用多邊形掃描儀的位圖模式，可以實現高精度的大型曲面修改（圖4）。激光器由一個由多邊形掃描儀驅動的外部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）。整個硅片的處理時間=20 s（a）；分辨率測試。激光打印DIN A4頁面，高度為10 mm（b）
整個掃描場的高分辨率和低分辨率清晰可見。對于420 mm的應用焦距，達到的精度優于20μm。與傳統galvo掃描系統相比，填充速度快10倍以上。
應用多邊形掃描儀的深度映射模式，還可以選擇高功率連續激光作為2.5D高速雕刻的光源。通常情況下，連續波輻射會產生較大的熔池，但快速的掃描速度和由此產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不銹鋼316L的微觀結構。
應用200 m s–1的掃描速度導致激光束與材料表面的有效相互作用時間為100 ns。這相當于傳統調Q激光器系統的脈沖時間。值得注意的是，每道2–3μm的高去除率仍在研究中。
此外，脈沖激光源正導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頻率的限制。如今，高達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結構加載到掃描頭中。掃描儀根據激光束在x、y和z位置相對于樣品/粉末表面的相對位置進行實時計算，以找到相交的掃描矢量。這使得多邊形掃描儀可以應用于快速成型應用領域（圖6）。
圖6帶多邊形掃描儀的微燒結試樣：燒結區，燒結層厚20μm，掃描速度為50 ms–1。
多邊形掃描儀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。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公認的工業激光源。
緊湊的尺寸、可用的功率水平和價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用開辟了新的商業案例。通過多邊形掃描儀實現的超快光束偏轉解決了將可用激光功率引入加工速度的瓶頸。一種新的工藝參數體系通過緊密聚焦實現高分辨率，并通過短ns持續時間內的短相互作用時間實現質量增益，無論是短脈沖還是連續光纖激光器。最后，下一代機器生產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
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