了解增材制造中的激光器基础知识对于理解基于激光的增材制造对行业增长的影响至关重要。本文对基于激光的增材制造中使用的各种类型的激光器进行了全面的介绍，对其工作原理、光学配置以及各自优势和局限性进行了比较分析，是从业人员的必读文章。

传统的Nd∶YAG激光器通常由氙气闪光灯进行光泵浦，电光功率转换效率相对较低。低功率效率会导致光束质量低下，因为大部分未吸收的能量都以热量的形式散发，光学元件的加热会引起热透镜效应和双折射效应，从而导致光束质量差。闪光灯短寿命可以通过使用二极管激光器代替泵浦光源(二极管泵浦固态(DPSS)激光器)来克服。由于激光二极管具有更高的电光功率转换效率以及增益介质的选择性激发，与灯泵浦激光器相比，该种激光器的整体功率效率可提高约5倍。在增材制造中，Nd∶YAG激光器已被更紧凑，更高效的镱(Yb)掺杂光纤激光器取代。但是，Nd∶YAG激光器的普遍性和易用性仍然使它们在参数研究工作中大量使用。

因此，光纤激光器广泛用于材料加工并已在增材制造中替代了Nd∶YAG激光器。光纤激光器由在950~980nm波长范围激光二极管泵浦，产生1030~1070nm的输出波长的近红外激光束。基于光纤的增益介质和光学组件的特性，带来了包括高电光效率(~25%)、高光束质量、抗干扰性强以及系统紧凑性好等优点。然而Yb光纤激光器也存在由于光在光纤内部传播而产生一些限制。对于固体激光器，光在空气中传播，空气作为光导介质的影响较小。相反，当光通过光纤传播时，激光受到引导介质即光纤的强烈影响，特别是在其非线性特性上，高峰值功率引起的光学非线性效应(例如自聚焦、自相位调制、克尔透镜效应和拉曼效应)会限制激光器的性能。光纤弯曲、振动和温度变化会导致偏振变化，为了获得更高的环境稳定性，需要使用偏振保持(PM)光纤作为增益和光导介质。

增益介质以与其他气体激光器(例如CO2)相同的方式被电流泵浦。准分子激光器只能在脉冲模式下运行，产生的脉冲重复频率仅为几kHz，平均输出功率在几瓦到几百瓦之间。紫外线脉冲激光的产生在制造应用中非常重要，因为大多数光学材料在紫外波长区域具有高吸收率。然而，由于光束质量相对较差，维护以及运行成本较高使得准分子激光器在增材制造中应用较少。

工作波长也与聚焦性有关，而聚焦性决定了最终的制造分辨率。由于光学衍射极限，最小聚焦光斑尺寸与波长成正比，因此CO2激光器不适合微/纳米尺度的制造。

可以看出，通过采用更高功率的激光可以增加成形速率，但是在高成形速率下制造的特征质量将会降低。因此，应综合考虑成形速率和特征质量，在满足材料成形的阈值能量基础上选择光束功率。激光束的聚焦强度不仅与平均功率成比例关系，还与最终由工作波长所决定的聚焦光斑尺寸成比例。虽然CO2激光器和Yb光纤激光器具有相同的平均功率，但是Yb光纤激光器的强度可能比CO2激光器高数百倍，这是由于聚焦光斑强度与激光波长的平方成反比，Yb光纤激光器的波长更短、光束质量更高，所以Yb光纤激光器的激光束聚焦光斑可以比CO2激光器小得多。

在SLM工艺过程中，被激光束照射的材料应在短时间内充分加热，因此在脉冲持续时间内需要高脉冲能量来熔化金属粉末。一般地，对于从连续波到几十皮秒脉冲持续时间的激光，其与材料的相互作用可以通过热扩散来解释，并且其阈值和脉冲的时域宽度的平方根成比例关系。

尽管CO2激光器的衍射极限比Nd∶YAG激光器高10倍之多,但其BPP值为3~5mm·mrad，与二极管泵浦的Nd∶YAG激光器相似。值得注意的是，由于更为简单的光学结构和稳定的电泵浦方法，CO2激光器具有相对较低的BPP值且其M2因子接近为1。Yb光纤激光器的光束最接近高斯光束，其优良光束质量可以归因于其基于光纤的传播方式;当激光束通过光纤传播时，由于光纤有限的模场直径，高阶空间模得以滤除，只有单一或有限数量的空间模保留在其内部。相比之下，准分子激光器由于其高阶空间模式和高光束发散角，光束质量相对较差，此外，它的输出光束形状为矩形且在X轴和Y轴上具有不对称的发散角。

目前，基于激光的最具代表性增材制造工艺包括立体光刻技术(SLA)、激光选区烧结技术(SLS)、激光选区熔化技术(SLM)和激光熔覆技术(LENS)。根据美国材料实验协会(ASTM)“ASTMF42–增材制造”的分类定义，SLA归类为光聚合工艺;SLS和SLM归类为粉床工艺;LENS归类为有向能量沉积工艺。这些工艺利用不同类型的激光和材料沉积方法来实现逐层制造。

微立体光刻法(μSL)是另一种从传统的SLA工艺衍生而来的技术，用于生产具有微米分辨率的小型复杂模型。μSL与传统光固化增材制造工艺类似，均为施加能量源以光固化光敏聚合物，但μSL通常采用较小的光斑尺寸，并且需要精确控制照射到树脂上的激光能量，使其接近聚合所需的临界能量。可使用高吸收性反应介质和中性吸收剂，从而有助于形成更薄的聚合层以获得更好的横向分辨率。

不锈钢–铜合金在CO2和Nd∶YAG激光器的波长下具有不同的能量吸收率，因此需要不同的工艺参数。与使用CO2激光器的情况相比，使用Nd∶YAG激光器，不锈钢–铜合金具有更大的可激光烧结加工区域，并且随着能量密度的增加，烧结材料的层厚度通常会增加。

改善光束质量的激光器具有更高的制造精度，例如薄盘激光器，因此，当今大多数商用SLM机器都使用Yb光纤激光器作光源，从而摆脱了效率较低的CO2激光器。此外，还引入了在单个打印机中使用多个激光器组合的方法，以提高SLM的零件质量和打印速度。

在LENS中，打印材料通过喷嘴以粉末或金属丝的形式以受控的速率通过喷嘴分配到高功率激光束聚焦的熔池中。通常，整个物料分配系统和激光聚焦模块都安装在多轴机械臂上，可以沿着相同的路径移动。由于系统的灵活性，LENS还可以用于修复和修补一些设备零部件。当将激光束聚焦到焦平面上的较小点时，在深度方向(靠近焦平面)会有一定范围的激光束，其能量密度足以熔化金属粉末，形成熔池。焦平面定位、扫描速度、激光功率和进给速度是决定熔池中沉积的厚度和体积的关键参数。熔池的厚度应与LENS系统的最小层厚度相匹配，如果熔池的大小不一致，沉积加工的零部件将由于不同层之间熔池厚度不均匀，造成性能下降。

采用准分子激光进行纳米粒子烧结，可以实现小型结构的高分辨率数字图案化技术。与长波长激光器相比，通过聚焦受激准分子激光束可以产生较小的光斑，从而可以实现更高的空间分辨率。准分子激光器使用“准分子”作为增益介质，并通过脉冲放电泵浦以在紫外(UV)区域产生纳秒级脉冲。双光子聚合增材制造技术也是目前研究的热点。SLA是使用紫外线激光的单光子聚合过程，它的加工分辨率受到经典光学衍射极限的限制，很难满足高分辨率微纳米结构的加工要求。与SLA不同，使用近红外飞秒激光的双光子聚合增材制造技术可以突破传统光学衍射的局限，并构造具有任意形状的纳米级高分辨率三维结构。

对于不同增材制造工艺，目前所有主流增材制造设备公司均在使用Yb光纤激光器。CO2激光器通常用于聚合物粉末的SLS工艺中，而光敏聚合物树脂工艺设备则多采用三倍频的Nd∶YVO4激光器。当然，新的技术也正在开发中，并适用于各种增材制造技术应用。目前，基于SLA工艺的新型激光技术研发也备受关注，其中包括波长为325nm的He–Cd激光器和波长为364nm的Ar准分子激光器。而飞秒、皮秒激光器由于在3D打印过程中可实现高熔点或高热扩散率材料的加工，其开发应用也越来越多。

参考原文：《激光器在增材制造中的应用》

1965.10出生,激光工程研究院教授、博士生导师，3D打印工程中心主任。中国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562）委员，中国光学学会激光加工专业委员会委员，中国机械工程学会特种加工委员会理事，中国机械工程学会高级会员，国际光学工程学会SPEI会员。1986.7在华中科技大学获机械工程工学学士学位，同年推免华中科技大学机械工程研究生，1989年获工学硕士学位。1998.9-2001.7在北京工业大学攻读光学工程专业工学博士学位，2000年1-6月德国Ravensburg合作研究。2001年7月进入北京工业大学机电工程博士后流动站，2003年出站留校工作。2011年9月-2012年9月美国纽约州立大学Buffalo分校访问学者。2016年获中国产学研合作创新奖。2018年8月指导研究生参加第十三届中国研究生电子设计竞赛获企业类一等奖。主持完成了国家自然科学基金、北京市科委重大科技项目等，发表论文150余篇，出版专著4部，译著1部。