FBH开发用于增材制造的二极管激光模块

  1. 1千瓦、780纳米的砷化镓(GaAs)基二极管激光模块可用于铝的熔化。弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(FBH)的科学家们携手其工业合作伙伴,在可用于铝熔化的直接二极管增材制造(AM)激光模块领域取得了显著进展。 这些模块是专门为克服现有光纤或钇铝石榴石(YAG)激光系统的弊端而量身定制的。现有系统占地面积大,且需借助光纤将激光功率传输至工作表面,而光纤极易出现故障。 今年于慕尼黑举办的CLEO/欧洲会议以及激光世界光子学贸易展上,报道了这些重要进展。
  2. FBH团队研发出一种紧凑的、连续波1千瓦的直接二极管工艺头,其工作波长为780纳米,此乃铝吸收效率最高的波长。 该系统采用了高效的砷化镓基二极管激光器,其孔径极为宽阔,故而能够发射出较高的单片功率。 这些器件被夹置于两个散热器之间,随后进行堆叠。大型通道水冷器从侧面吸取热量,从而形成堆叠模块(见上图)。 每个二极管激光器均进行了单独的快速轴准直,其设计经过精心定制,使得从堆栈发射出的光束呈对称状,且与应用需求相契合。
  3. 在第一阶段的功率缩放方面,两个堆叠模块进行了几何组合。通过偏振光束组合实现进一步的功率缩放仍具有可行性。 加工头还配备了光束整形光学器件,用于将光束传递至工作表面,同时设有用于视觉过程控制的路径相机。 第一代工艺头已移交至项目合作伙伴光子激光制造公司(PLM)。它被安装在机械臂上,并由项目合作伙伴SKDK GmbH研发的控制软件进行操控。 该组件能够在1平方毫米的位置提供1千瓦的连续波功率。
  4. 在会议上,FBH汇报了运用这种新工艺头开展增材制造试验的首批成果:在基板上以7毫米/秒的送丝速度3D打印出一个测试结构。 最终的结构高度为3毫米,由10层熔化的金属构成。
  5. 在进行工艺演示的同时,该团队还通过优化二极管激光器本身来提升模块的转换效率和亮度。 在不改变外延层结构的前提下,对具有更窄条纹宽度(从1.2毫米缩减至0.8毫米)、更短谐振腔长度(从6毫米缩短至4毫米)以及更高前面反射率(从0.8%提升至4%)的器件进行了评估。 在使用两个堆叠模块的实验室演示中,团队表明,这些改进措施将转换效率从1千瓦功率时的35%提高至50%,并将光斑大小从1平方毫米减半至0.5平方毫米。 因此,焦点区域的功率密度实现了翻倍,从1千瓦/平方毫米提升至2千瓦/平方毫米。
  6. 这项工作得到了"琥珀利润创新"项目SAMBA的支持,该项目由柏林欧洲区域发展基金(ERDF)共同资助,合同编号为10193579。

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