[发明专利]用于增材制造或其他工业激光处理应用的在功能上被均匀化的强度分布

说明书

本发明公开了用于产生具有在功能上被均匀化的强度分布的激光输出光束的技术。根据一些实施方案，通过将低模式源光束施加到多模式约束芯来激励在多模式约束芯中的少量模式的群体，使得该群体表现出不稳定的强度分布。通过提供多模式约束芯中的相位位移的调制和进入多模式约束芯中的低模式源光束的发射条件的变化中的一者或两者，不稳定的强度分布在功能上被均匀化。

相关申请

本申请要求以下申请的优先权权益：2019年6月24日提交的美国临时专利申请号62/865,902；以及2019年8月2日提交的美国临时专利申请号62/882,442。这两个相关申请的全文在此以引用方式并入。

技术领域

本公开的领域总体涉及用于递送光束以用于增材制造中的光纤激光器和光纤耦合激光器系统，并且尤其涉及用于粉末床熔融应用的改善的环状激光束轮廓。

背景技术

存在能够处理金属工件的若干类型的增材制造。两种这样类别的增材制造包括粉末床熔融和直接能量沉积(DED)。

粉末床熔融是需要使用由光束或电子束提供的热能熔融粉末的一种类型的增材制造。目前，存在采用光束的两种主要类型的粉末床熔融。

第一种类型的粉末床熔融被称为选择性激光烧结(SLS)。在SLS中，激光束烧结粉末材料，诸如塑料、尼龙和陶瓷。直接金属激光烧结(DMLS)是类似的技术，其中粉末是金属。

第二种类型的粉末床熔融被称为选择性激光熔化(SLM)。在SLM工艺中，激光在粉末床中形成熔池。熔池快速地冷却和凝固以形成零件。

DED包括激光工程化净成形(LENS)和电子束增材制造(EBAM)。代替烧结或熔化粉末层，同时地沉积并且用热能固化原料。

已经进行一些尝试来表征环状强度分布在增材制造中的使用。例如，在Wischeropp等人在2015年的名称为“Simulation of the effect of different laserbeam intensity profiles on heat distribution in selective laser melting(不同的激光束强度轮廓对选择性激光熔化的热分布的影响的模拟)”的论文中，描述了用于定性地模拟在固体TiAl6V4块顶部的TiAl6V4粉末熔化的热分布的2D-FEM模型。在不同的扫描速度和激光功率下针对三种不同的激光束强度轮廓模拟了单道熔化期间的热分布。论文中宣称的结果指出，与高斯形激光束强度轮廓相比，当采用环形激光束强度轮廓时，可提高能量效率并减少汽化材料的量。作者认为，环形激光束强度轮廓为粉末床熔融应用提供了更高的构建率。

环形激光束强度轮廓，更一般地被称为环状强度分布(其包括鞍形)，先前通过激励由许多模式形成的群体进行尝试。换句话说，多模式输入用于基本上淹没具有环状芯的光纤区段，以便激励在该区段的输出处递送的许多模式。

发明内容

本公开描述了多模式环状约束芯(即，具有呈环的形状的横截面轮廓的芯)中的少量模式的低模式源激励。发明人目前相信，与在输出处递送的大量模式相比，就BPP和雷利范围而言，少量模式提供更高的光束质量，这就提高处理速度、减少汽化材料(减少烟雾和烟尘产生)和减小可制造的特征的大小而言极大地改善了性能。

在一些实施方案中，少量模式产生在输出处递送的强度分布的不均匀性。因此，本公开还描述了包括在外部施加的扰动以建立具有相对高的雷利范围的在功能上被均匀化的环状强度分布以用于增材制造中的实施方案。所公开的实施方案依赖于不同的光学性质和机制，以通过该光学性质和机制使环状强度分布均匀化。因此，实施方案(和内在机制)一般被称为相位位移实施方案和可变模态激励实施方案。