[发明专利]使用可见拉曼激光器进行材料处理的应用、方法和系统

说明书

使用小于800nm的激光波长的激光增材制造系统和设备。拉曼激光器模块具有蓝光波长范围内的激光泵浦源。将功能激光束波长与起始材料的最大吸收波长进行匹配。此外，长期以来，对用以提供300nm‑800nm波长的激光束、尤其是具有较高功率和高光束质量的蓝色激光和激光束的激光器的需求尚未实现，这样的激光器用于改进的激光增材制造工艺、焊接工艺、切割工艺、钎焊工艺、抛光工艺、烧蚀工艺以及锡焊工艺。此外，本发明通过提供本文所教导和公开的制造制品、装置以及工艺来解决这些需求。

本申请：(i)根据美国法典第35卷第119条(e)款之(1)，要求于2014年8月27日提交的美国临时申请序列号62/042,785的申请日之权益；以及(ii)根据美国法典第35卷第119条(e)款之(1)，要求于2015年7月15日提交的美国临时申请62/193,047的申请日之权益。

技术领域

本发明涉及一种激光器，该激光器产生300nm至700nm范围内的激光束，包括具有极佳光束质量的这些波长中的较高功率激光束。本发明还涉及一种激光器制造工艺、系统和装置，尤其涉及使用本发明的新型激光器的新型激光束的激光增材制造工艺。

背景技术

在本发明之前，通常使用近红外或红外激光的倍频从激光源获得300-700nm范围内的激光束。迄今为止，通常认为(特别是对于商业上可行的系统来说)本领域已经无法扩大这些类型的激光器以制造更高功率的激光器，例如大于500W(0.5kW)的激光器，尤其是1kW及以上的激光器。因此，到目前为止，认为本领域已经无法扩大这些激光器以获得在300-700nm波长范围内具有高光束质量的高功率激光。此外，在本领域中，普遍认为无法获得这些波长的高功率激光是因为受限于非线性晶体处理高功率级所需的热负荷和注量水平的能力。因此，目前认为通过倍频可获得的最高功率、高光束质量激光限制在脉冲调制的约400瓦特(0.4kW)。处理晶体上的热负荷需要该脉冲调制。相信在本发明之前，尚未获得在300-700nm范围内具有较高功率(例如，1kW及以上)和高光束质量(例如，M²～1)的商业上可行或实用的激光。

在本发明的实施例之前，认为通常有四种类型的蓝色激光器。蓝色激光器是波长在约400-505nm(通常为405-495nm)范围内的激光器。这些蓝色激光器是：(i)He:Cd激光器；(ii)Ar离子激光器；(iii)直接倍频二极管激光器；(iv)固态参数倍频振荡器；以及(v)频移倍频光纤激光器。

(i)He:Cd激光器为单模，功率限制在几百毫瓦，例如，0.0001kW。He:Cd激光器通常为单横模，但由于这种激光器的低效率(0.025％)而很难将这种激光器扩大至高功率级。因此，这种激光器不适用于高功率材料加工应用。

(ii)Ar离子激光器的效率很低，因此限制在相对较低功率，小于约0.005kW的多线。在这样的低功率下，这种激光器为多波长运行的单横模。这种系统的寿命通常5000小时，这对于大多数工业应用来说相对较短。

(iii)蓝色二极管激光器是最近才开始使用的。然而，它们的功率低，通常小于0.0025kW，且光束质量差，例如，在慢轴中M²5，在快轴中M²_～1。现今，这样的装置的寿命大约为20000小时，并且适用于许多工业和商业上的激光器应用。当这种装置被扩大至高达200瓦特或更高时，光速质量随着功率的渐增而降低。例如，在200瓦特时，M²50。

(iv)倍频蓝色激光源通常限制在约0.50kW的输出功率。用于产生蓝光的方法可以是使800-900nm级范围的光源倍频、或者是利用两个不同波长的和频，来生成第三个。这两种技术都需要使用非线性倍频晶体，诸如铌酸锂或KTP。这些晶体相对短，因此它们需要高峰值功率级以实现有效的转换。当以CW模式运行时，发热问题以及电荷迁移问题可能引起晶体的快速劣化，从而导致激光器输出功率的快速降低。