[发明专利]利用可变光束参数控制熔池来形成制品的方法和光束系统

说明书

本申请涉及一种形成制品的方法，包括：步骤(2901)，用于形成熔池；步骤(2903)，用于将熔池暴露于具有至少一个光束特性的光束；步骤(2905)，用于在熔池中形成锁眼腔，该锁眼腔具有至少一个锁眼腔属性；以及步骤(2906)，用于响应于锁眼腔属性的变化来修改至少一个光束特性。

相关申请

本申请是2017年5月26日提交的国际申请PCT/US2017/034848的部分延续，该国际申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,411的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,410的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,399的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。以上所有申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本文公开的技术涉及光纤激光器和光纤耦合激光器。更具体地，所公开的技术涉及用于在光纤激光器或光纤耦合激光器的输出端调整并保持经调整的光束特性(光斑尺寸、发散度轮廓、空间轮廓或光束形状等或其任意组合)的方法、设备和系统。

背景技术

高功率光纤耦合激光器的使用在各种应用中继续受到欢迎，例如，材料加工、切割、焊接和/或增材制造。这些激光器包括例如光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器、二极管泵浦固态激光器和灯泵浦固态激光器。在这些系统中，光功率经由光纤从激光器传送到工件。

各种光纤耦合激光器材料加工任务需要不同的光束特性(例如，空间轮廓和/或发散度轮廓)。例如，切割厚金属和焊接通常需要比切割薄金属更大的光斑尺寸。理想情况下，激光束的特性是可调整的，以实现对这些不同任务的优化加工。常规上，用户有两种选择：(1)采用具有固定光束特性的激光系统，该系统可以用于不同的任务，但对大多数任务来说不是最佳的(即，在性能和灵活性之间折衷)；或者(2)购买激光系统或附件，其提供可变光束特性，但增加了显著的成本、尺寸、重量、复杂性，并且可能会导致性能下降(例如，光损耗)或可靠性下降(例如，鲁棒性降低或可运行时间缩短)。当前可用的能够改变光束特性的激光系统需要使用自由空间光学器件或其他复杂且昂贵的附加机构(例如，变焦透镜、反射镜、可平移或机动化的透镜、组合器等)，以改变光束特性。没有一种解决方案能够提供所需的光束特性可调整性，从而最大限度地减少或消除对使用自由空间光学器件或其他附加部件的依赖，这些部件在成本、复杂性、性能和/或可靠性方面带来了相当大的损失。所需要的是一种用于提供变化的光束特性的光纤内装置，该装置不需要或最小化自由空间光学器件的使用，并且可以避免显著的成本、复杂性、性能折衷和/或可靠性降低。

在用高功率激光加工材料的过程中，激光束可以用来熔化聚集在“熔池”中的材料部分。由于各种因素，包括熔池的液壁随着熔池表面张力和重力而变化的不稳定性，熔池本身可能变得不稳定。熔化和再固化过程中的这种不稳定性会导致几个不利影响，这些影响限制了工艺结果、特定应用性能或最终产品的效用。例如，不利影响可以包括飞溅(即，大量材料从熔池中分离出来并沉积在材料表面上)、将环境成分引入到材料中，包括气体和/或杂质(这可导致再固化的材料中的气泡或多孔性)或者不稳定的熔化几何形状，这可导致再固化材料中的不期望的特性，例如，晶粒几何形状、晶粒尺寸、晶粒取向、微结构形态、残余应力等，并且可能影响最终焊接或增材制造的产品，包括这种产品可能遭受固化开裂。甚至最终产品的美学外观也会受到影响。这些影响中的每一个都与激光加工产品的质量和性能指标直接相关，例如，强度、延展性、韧性、疲劳性能和使用寿命。