CN113664223A

CN113664223A - 使用可见拉曼激光器进行材料处理的应用、方法和***

Info

Publication number: CN113664223A
Application number: CN202110962853.3A
Authority: CN
Inventors: 马克·S.·泽迪克
Original assignee: Nuburu Inc
Current assignee: Nuburu Inc
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: EP3186821A4; EP3186821B1; ES2848400T3; CA3151421A1; JP2019194699A; EP3186821A1; JP2024019706A; CA2959372A1; JP7413424B2; JP2017537334A; RU2017109794A3; RU2710819C2; CN113664223B; RU2017109794A; WO2016033343A1; CN107078021A; EP3832815A1; CA2959372C; JP2022095671A; JP6532938B2

Abstract

使用小于800nm的激光波长的激光增材制造***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。

Description

使用可见拉曼激光器进行材料处理的应用、方法和***

分案申请说明

本申请是申请日为2015年08月27日，申请号为201580058307.X，发明名称为“使用可见拉曼激光器进行材料处理的应用、方法和***”的发明专利申请的分案申请。

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、***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***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***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M²>5，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，M²>50。

(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。

(v)先频移再倍频成蓝光的光纤激光器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。

在本发明之前，蓝光波长激光束通常通过参数振荡器、四波混频以及直接倍频来获得。这些都是依赖于非线性晶体的使用来获得蓝色波长的低效工艺。这些晶体无法控制在激光器功率接近几百瓦特(0.1kW)的连续波(CW)时发生的热负荷，更不用说是千瓦及以上的功率。

现认为，这些现有类型的蓝色激光器及其提供的激光束不足以用于激光增材制造工艺或***。认为这些类型的现有蓝色激光器无法获得本发明实施例中的高功率激光束，例如具有0.1kW及以上功率的蓝光波长)。高功率倍频激光源通常为快速脉冲调制源，其可以达到高峰值功率级而实现高转换效率。这些类型的现有蓝色激光器还具有用于大多数激光增材制造 (特别是用于具有严格公差的制品的形成)的时间特性。这些类型的现有蓝色激光器无法提供本发明实施例的高功率和CW输出。

在本发明之前，通常通过参数振荡器、四波混频以及IR源的三倍频来获得450nm或更小的激光束。这些都是依赖于使用非线性晶体来实现短 (200nm-450nm)波长的低效工艺。这些晶体无法处理在激光器功率接近几百瓦特(0.1kW)的CW时发生的热负荷，更不用说是千瓦及以上的功率。

在本发明之前，通常通过泵浦染料激光器、参数振荡器、四波混频以及IR源的倍频来获得700nm-800nm范围内的激光束。这些都是低效工艺，染料激光器往往会在一段时间后褪色，并且其相互作用体积有限而很难实现高CW功率级。其它的工艺依赖于非线性晶体的使用来实现700nm-800 nm波长。这些晶体无法处理在激光器功率接近几百瓦特(0.1kW)的CW 时发生的热负荷，更不用说是一千瓦及以上的功率。

除非另有明确指定，本文中所用术语“激光增材制造(LAM)”、“激光增材制造工艺”、“增材制造工艺”以及类似的术语应被赋予其最广泛的含义，并且将包括诸如3D打印、三维打印、烧结、焊接及钎焊的工艺、应用和***以及在制造制品(例如产品、部件和零件)的至少一个阶段期间使用激光束的任何其它工艺。这些术语并不受制造物品尺寸的限制或约束，例如它们将涵盖从亚微米(例如，小于1μm)至1μm、至10μm、至数十微米、至数百微米、至数千微米、至毫米、至米到千米(例如，制造带状或条状材料的连续性LAM工艺)的制品。

除非另有明确指定，本文所用术语“激光束光斑尺寸”和“光斑尺寸” 应被赋予其最广泛的含义，包括：激光束的横截面形状；激光束的横截面积；激光束在目标上的照明区域的形状；激光束在目标上的照明面积；“最大强度光斑尺寸”，其为激光束的截面面积，其中激光束处于其峰值的至少 1/e²或0.135；“50％强度光斑尺寸”，其为激光束的截面面积，其中激光束处于其峰值的至少0.00675；以及激光束的截面面积，其中激光束具有功能特性。

除非另有明确指定，本文所用术语“功能增材制造激光束”、“功能光束”、“功能激光束”以及类似的此类术语表示：通过使激光束作用于这些材料(例如烧结、钎焊、退火、焊接、消融、耦合、增粘、软化、交联、键合、反应等)，具有以下性质的激光束：功率、波长、注量、辐照度(每单位面积的功率)以及这些性质的组合和变型，以将起始材料或目标材料形成或构建成制品。

除非另有明确指定，本文所用术语“约”意在涵盖±10％的变化或范围、与获得表述值相关的实验或仪器误差，并且优选地为这些中的较大者。

除非另有明确指定，本文所用术语“光学器件”、“光学元件”、“光学 ***”、以及类似的此类术语应被赋予其最广泛的含义，包括：能够操纵激光束(例如，不会被光束的能量所损害或快速毁坏的发射、反射等)的任意类型的元件或***；能够以预定方式(例如发射、聚焦、散焦、成形、准直、转向、扫描等)影响激光束的任意类型的元件或***；提供多种波束形状(诸如十字、x形、矩形、六边形、阵列线或者其中线、正方形和圆柱形以不同的距离连接或间隔的相关形状)的元件或***；折射透镜；衍射透镜；光栅；透射光栅；反射镜；棱镜；透镜；准直仪；非球面透镜；球面透镜；凸透镜，负弯月透镜；双凸透镜；轴锥镜；梯度折射透镜；具有非球面轮廓的元件；具有消色差双合透镜的元件；微透镜；微阵列；微机电(mems)操纵反射镜(诸如在DLP投影仪中使用的mems操纵反射镜可用于创建和操纵运行中的图像)；铌酸锂光束操纵晶体；高速电流计；线性电机和高速电流计的组合；飞行光学头；可变形反射镜装置；以及这些与其它光束操控设备的组合和变型。

该背景技术章节旨在引入本领域的各个方面，这些方面可与本发明的实施例相关联。因此，该章节中的上述讨论提供了一个更好地理解本发明的框架，但这不应被视为对现有技术的一种承认。

发明内容

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。

提供了一种激光增材制造(LAM)设备，其具有：激光器，用于提供沿着光束路径的功能激光束，该功能激光束的波长小于约750nm；构建台；起始材料和起始材料输送设备，其中起始材料可被输送至邻近构建台的目标区域；激光束传输设备，其具有光束成形光学器件，以提供功能激光束并形成激光束光斑；电动机和定位设备，其机械地连接至构建台或激光束传输设备或同时连接至两者，由此电动机和定位设备能够在激光束传输设备和构建台之间提供相对运动；以及控制***，该控制***具有处理器、存储装置以及LAM计划，其中控制***能够通过功能激光束和起始材料的预定布局实现该LAM计划。

还提供了具有一个或多个下列特征的***、设备和方法：其中激光器具有波长小于500nm的泵浦激光二极管和拉曼振荡器光纤；其中激光器具有用于提供n级拉曼振荡的泵浦激光二极管和拉曼振荡器，其中n为整数；其中n选自1、2、3、4、5、6、7、8和9；其中n级振荡是斯托克斯振荡；其中n级振荡是反斯托克斯振荡；其中构建材料选自镁、铝、镓、锡、铅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、钼、铑、钯、银、镉、钨、金、汞、金属、金属合金以及金属的混合物；其中起始材料是粉末；其中起始材料是粒度小于1μm的粉末；其中起始材料是粒度为约0.05μm至约2.5μm的粉末；其中起始材料是粒度为约0.05μm至约2.5μm的粉末；其中起始材料是粒度为约40μm及以下的粉末；其中起始材料是粒度小于约 25μm的粉末；其中起始材料是粒度小于约15μm的粉末；以及其中起始材料是粒度小于约0.5μm的粉末。

此外，提供了用于激光增材制造的拉曼激光器模块(RLM)，所述RLM 具有：泵浦激光束源和拉曼振荡器，用于提供功能激光束；该功能激光束具有小于约700nm的波长、小于2的M²以及大于500W的功率。

又提供了具有一个或多个下列特征的设备、***和方法：其中拉曼振荡器具有光纤振荡器，该光纤振荡器具有选自二氧化硅、掺GeO₂二氧化硅、掺磷二氧化硅的材料；其中泵浦激光源具有二极管激光器；其中泵浦激光源具有多个激光二极管，以产生具有小于约10mm-mrad的光束参数乘积的泵浦激光束；其中泵浦激光源具有至少20个蓝色激光二极管的阵列；其中该阵列提供波长为约405nm至约460nm的泵浦激光束；其中振荡器光纤的长度为约30m或更小；其中振荡器光纤的长度为约20m或更小；其中振荡器光纤的长度为约25m或更小；其中振荡器光纤的长度为约40m或更小；以及，其中所述功能激光束的波长为约405nm至约470nm。

此外，还提供了如下设备、方法和***：其中，泵浦激光源具有蓝色激光二极管***，该***提供波长为约405nm至约475nm、功率大于100 W的泵浦激光束；以及其中拉曼振荡器光纤具有约10μm-50μm的纤芯直径，并且为渐变折射率光纤或阶跃折射率光纤。

另外还提供了一种用于冷却包括泵浦激光源的激光器的装置，该冷却装置可以是气冷式(使用主动或被动空气冷却)、液冷式(诸如使用冷却剂或制冷剂)以及水冷式(诸如使用闭环水冷***)。

此外，提供了具有一个或多个下列特征的设备、方法及***：其中泵浦激光源具有光谱合束器；其中来自RLM的激光束被相干地组合以形成单功能激光束；其中泵浦激光源具有激光二极管和整体式驱动电子器件，以控制电流并使泵浦激光源二极管的快速脉冲能够提供脉冲调制的泵浦激光束；以及其中脉冲速率为约0.1MHz至约10MHz。

此外，还提供一种具有起始材料输送设备的3D打印设备，其中起始材料可被输送至邻近预定构建区域的目标区域；光束成形光学器件，以在构建区域提供横截面小于100微米的功能激光束光斑；以及拉曼激光器模块 (RLM)。

此外，还提供了一种LAM***，其包括具有RLM的3D打印设备，所述RLM为本说明书中所描述的RLM中的一个或多个。

此外，提供了激光增材制造(LAM)的方法，该方法包括：提供起始材料，该起始材料具有预定的最大吸收波长；将具有预定波长的功能激光束引导至起始材料，至少部分地基于该功能激光束波长与起始材料最大吸收波长进行匹配；该功能激光束与起始材料互相作用以构建制品。

此外，提供了具有一个或多个下列特征的方法、***和设备：其中所述功能激光束波长和最大吸收波长在彼此的100nm内相匹配；其中所述功能激光束波长和最大吸收波长在彼此的50nm内相匹配；其中所述功能激光束波长和最大吸收波长在彼此的10％内相匹配；其中所述功能激光束波长和最大吸收波长在彼此的20％内相匹配；其中所述功能激光束波长和最大吸收波长相匹配，其中它们的波长相等；其中制品在单个步骤中构建；其中该制品具有：7.5至32μm/(m-K)的热膨胀度(25℃下)；18至450W/(m-K) 的热导率；14至420nΩ-m的电阻率(20℃下)；40至220GPa的杨氏模量； 15至52GPa的剪切模量；40至190GPa的体积模量；0.2至0.5的泊松比； 1至7的莫氏硬度；150至3500MPa的维氏硬度；35至2800MPa的布氏硬度；1.5至21g/cm³的密度；其中该制品具有：7.5至32μm/(m-K)的热膨胀度(25℃下)；18至450W/(m-K)的热导率；40至220GPa的杨氏模量；15 至52GPa的剪切模量；40至190GPa的体积模量；0.2至0.5的泊松比；以及1.5至21g/cm³的密度；其中该制品具有：14至420nΩ-m的电阻率(20℃ 下)；0.2至0.5的泊松比；以及1至7的莫氏硬度；其中该制品具有：7.5 至32μm/(m-K)的热膨胀度(25℃下)；14至420nΩ-m的电阻率(20℃下)；40 至220GPa的杨氏模量；1至7的莫氏硬度；以及1.5至21g/cm³的密度；以及其中该制品具有选自由以下组成的群组的物理性质：7.5至32μm/(m-K) 的热膨胀度(25℃下)；18至450W/(m-K)的热导率；14至420nΩ-m的电阻率(20℃下)；40至220GPa的杨氏模量；15至52GPa的剪切模量；40至190GPa的体积模量；0.2至0.5的泊松比；1至7的莫氏硬度；150至3500 MPa的维氏硬度；35至2800MPa的布氏硬度；以及1.5至21g/cm³的密度。

此外，还提供了具有一个或多个下列特征的设备、***和方法：其中拉曼振荡器具有晶体振荡器，该晶体振荡器具有选自金刚石、KGW、YVO₄、和Ba(No₃)₂的材料；其中拉曼振荡器具有高压气体；其中泵浦激光源具有多个激光二极管，以产生具有小于约14nm-mrad的光束参数乘积的泵浦激光束；以及其中泵浦激光源具有多个激光二极管，以产生光束参数乘积为约9至约14nm-mrad的泵浦激光束。

附图说明

图1是根据本发明的LAM***和工艺的实施例的示意透视图。

图2是根据本发明的LAM工艺的一个阶段中的起始材料的实施例的剖视图。

图2A是在根据本发明的LAM工艺的实施例的后续阶段中由图2的起始材料形成的制品的实施例的剖视图。

图2B是在根据本发明的LAM工艺的实施例的后续阶段中图2A的制品和起始材料的实施例的剖视图。

图3是根据本发明的LAM制品的实施例的剖视图。

图4是根据本发明的LAM制品的实施例的剖视图。

图5是根据本发明的LAM***的透视图。

图6是根据本发明的LAM***的透视图。

图7是根据本发明的提供459nm功能激光束的各种拉曼振荡器光纤长度的输出与输出耦合器百分比的图表。

图8是根据本发明的提供455nm功能激光束的处于各种100W泵浦波长下的输出功率与输出耦合器百分比的图表。

图9是根据本发明的各种拉曼振荡器光纤长度下的来自100W、450nm 泵浦激光束的455nm功能激光束的输出功率与输出耦合器的图表。

图10是根据本发明的穿过500mm焦距透镜的相对于准直激光二极管的慢轴和快轴的泵浦激光束的光斑尺寸与光束腰的图表。

图11是示出根据本发明所使用起始材料的实施例的最大吸收波长的图表。

图12是示出根据本发明所使用的水的吸收的图表。

图13A至13C是示出根据本发明的各种材料的拉曼光纤和拉曼晶体的拉曼斯托克斯位移和拉曼级联的图表。

图14A至14C是示出根据本发明的各种材料的拉曼光纤和拉曼晶体的拉曼反斯托克斯位移和拉曼级联的图表。

图15是根据本发明所使用的对于三种不同掺杂物含量的磷硅酸盐光纤的实施例的拉曼光谱。

图16是各种金属的吸收曲线图，示出了根据本发明的激光器的实施例在所示波长下的增大的吸收。

图17是根据本发明的LAM***的实施例的示意图。

图18是示出根据本发明的激光器的各种实施例的激光性能的曲线图。

具体实施方式

通常，本发明涉及产生具有约200nm至800nm范围内波长的激光束的激光器。特别地，本发明的实施例涉及产生蓝色激光束的激光器以及这种激光束的应用。此外，本发明的实施例涉及波长在300-700nm范围内(尤其是在400nm级的范围内和在500nm级的范围内)的较高功率和高功率激光器与激光束；并且这些波长的这些激光器和激光束具有极佳的光束质量。本发明的实施例还涉及使用本发明的新型激光器的新型激光束的增材制造和激光材料处理，尤其是激光增材制造工艺以及焊接、钎焊、切割和锡焊。

此外，本发明的实施例涉及预定的金属起始材料和预定的激光波长，以利用这些起始材料进行激光增材制造。特别地，本发明的实施例涉及与金属起始材料匹配的预定激光束波长以进行激光增材制造，从而制造金属制品。

参见(翻到)图1，示出了LAM***和工艺的一个实施例的示意图。因而，图中有基座100、激光器单元101、激光束传输组件102。激光束传输单元102具有远端108，远端108与基座100相距间隔距离(stand off distance)103(并且在起始材料存在于基座上时与起始材料相距间隔距离)。通常，在LAM工艺期间，起始材料(图中未示出)由基座100支撑。然后，起始材料和激光束随着功能激光束109沿着光束路径110行进而相对于彼此移动，以形成接触起始材料的激光光斑111，并将起始材料耦合在一起形成制品。通过箭头104(例如，x轴移动)、105(例如，y轴移动)、106(例如，z轴移动)和107(例如，旋转)以及激光束路径和激光束撞击基座的角度来示出起始材料和激光光斑的相对运动(例如，光栅扫描)，从而可以改变基座上的起始材料。激光光斑也可以以矢量方式移动，其中x和y运动同时发生而使光斑移动至材料上的预定位置。图1中目标上的激光束的角度为90°或与底座成直角。该角度的变化范围可以是45°至135°、30° 至120°、0°至180°以及180°至360°(例如，将该制品倒转形成例如 U形唇)。在激光束的烧制和起始材料的沉积的协作下，还可以对这些不同的基本相对运动进行更多的组合和变型。并且，以这种方式，还可以制造出许多具有不同形状、尺寸和不同程度复杂性的制品。可以理解，这种相对运动可以通过移动基座、移动激光传输组件、操纵激光束(例如，利用电流扫描仪扫描光束)以及这些运动的组合和变型来实现。

激光单元和激光束传输组件可以是整体式设备，或者它们可以是分离但光学连接的(例如，通过光纤或飞行光学头)。此外，激光单元的一些或所有部件可以位于激光束传输组件之内，反之亦然。而且，这些部件和其它部件可以位于远离激光单元和激光束传输组件的位置。这些远程组件可以与激光单元和激光束传输组件光学关联、功能关联(例如，控制通信、数据通信、WiFi等)以及光学和功能两者都关联。激光单元和激光束传输组件通常具有高功率激光器(优选为本说明书中所公开和教导的拉曼激光器，或文献第62/193,047号所公开和教导的直接二极管激光器，其全部内容通过引用并入本文)和光束成形处理光学器件，以沿着激光束路径以预定的光斑尺寸传输激光束。

优选地，激光单元具有高功率激光器，该高功率激光器能够生成和传播预定波长的激光束，并且将激光束传输至激光束传输组件，该激光束传输组件可以使激光束成形并将激光束从远端沿着激光束路径输送至目标 (例如，起始材料)，该目标可以处于基座上或在正在构建的制品上。

例如，激光束可优选地具有表I中所列举的性质中的一个、两个或多个 (表中的行或列并不针对特定实施例；因而，不同行的性质可以与不同列的性质组合，例如，对于所有不同的波长，可以呈现为一个列的功率。因此，单个实施例可以具有表中不同列和不同行的性质)。

表I

*截面为跨越光斑的最长距离(例如，慢轴)；对于圆形光斑，截面为直径；对于椭圆形光斑，截面为主轴。

激光束传输设备包含无源和有源光束成形光学器件，以在预期的间隔距离处提供预定的光斑尺寸。激光束传输设备还可以包含监测和控制装置，或者可操作地与监测和控制装置相关联。例如，该装置可以利用例如高速摄像机向下观察管道。以这样的方式，摄像机向下观看到基座的激光束路径，然后可以观察由于激光束与起始材料相互作用而导致的熔池(melt puddle)的形成。可以使用深度传感器或计量表，位置传感器或计量表，激光监测器，用于测量熔池温度的红外可见高温计和测量装置，以及其它监测、分析和控制装置。以这样的方式，可以对LAM工艺(例如，由起始材料构建或制造制品的工艺)进行监测、分析和控制。因此，可以控制LAM 工艺使其遵循预定的应用，可以实时地对其进行变化或修改，或者监测设备可以提供对加工中材料的致密化和质量的实时反馈。

用于提供起始材料的输送装置也可以位于激光束传输设备中，与激光束传输设备相邻，或者以其它方式与激光束传输设备可操作地相关联或以其它方式与其相关联。以这种方式，起始材料可被输送(例如喷涂、流动、输送、拉制、倒入、撒粉)至基座上或所制物品上。因此，例如，起始材料可以通过以下设备来输送：喷射器，喷嘴，围绕激光束的同轴喷射器，气刀或刮刀组件，用以在激光束的运动之前输送起始材料的任何设备，喷雾嘴以及用于输送和处理起始材料的其它装置。例如，可以使用见于3D打印应用的起始材料输送装置和用于输送起始材料的方法。

美国专利第5,352,405、5,340,656、5,204,055、4,863,538、5,902,441、 5,053,090、5,597,589号和美国专利申请公开第2012/0072001号中公开和教导了3D打印设备***和方法的实施例，这些文献的全部公开内容通过引用并入本文。

控制***优选地对激光器的操作、提供构建制品所需的相对运动的各种部件的运动以及起始材料的输送进行整合、监测和控制。控制***还可以对操作的其它方面进行整合、监测和控制，诸如监测、安全联锁、激光器操作条件以及LAM处理程序或计划。控制***可以(例如，经由网络) 与数据存储和处理装置通信或具有这些装置而作为其***的一部分，用于存储和计算与如下项目相关的各种信息和数据：诸如，客户信息、计费信息、库存、运行史、维修以及LAM处理程序或计划等。

LAM处理程序或计划是控制器实现的用以操作LAM装置(例如，3D 打印机)的文件、程序或一系列指令，以执行预定的LAM处理，从而制造预定制品。LAM处理计划可以是3D绘图或模型文件，可以基于或来源于 3D绘图或模型文件，例如CAD文件，诸如标准格式的文件，包括：例如，.STEP、.STL、.WRL(VRML)、.PLY、.₃DS和.ZPR。控制器具有LAM 处理计划(例如，在其存储器中，在驱动器上，在存储设备上，或经由网络可用)，并且使用该计划来操作装置，以执行LAM处理，从而构建预期的制品。控制器可以具有直接使用3D模型文件的能力，或者将该文件转换成LAM处理计划。该转换可以由另一台计算机完成，并且完成后可直接用于控制器，或者保存在存储器中或存储在存储设备上供以后使用。将3D模型文件转换成LAM处理计划的程序的示例是Z公司(Z Corp.)的ZPrint^TM。

起始材料可以是液体、流体、固体、反相乳液、乳液、胶体、微乳液、悬浮液等以及它们的组合和变型。基于流体的起始材料***，例如悬浮液、胶体、乳液，具有载体组分和分散在载体组分内的构建组分。构建组分与激光束相互作用以制造制品。这些起始材料***可以具有对激光波长透射的载体组分和吸收激光波长的构建组分。参考图11和图12，示出了金属起始材料(例如，构建材料)的示例的吸收特性以及载体组分的示例、水的吸收特性。从这些图可以看出，在450nm波长处，构建组分是高吸收性的，而水容易对该波长透射。因此，对于基于流体的起始材料***，对于预定的激光波长，特别是表I中的激光波长，构建组分的吸收可以是载体组分的吸收的至少2倍，是载体组分的吸收的至少5倍，是载体组分的吸收的至少10倍，以及是载体组分的吸收的至少100倍。

参考图16，示出了氧化铝、铜、金、银、钛、铁、镍、不锈钢304以及锡的吸收特性，这些可以是起始材料的基础成分或者构成起始材料。从该图可以看出，在本发明激光器的实施例的波长(例如，线1602)处，这些金属的吸收大于其在IR波长(例如，线1601)处的吸收。

优选地，对于表I中的波长，起始材料是金属基颗粒，例如小珠、粉末、微粒。因此，起始材料的实施例可以是镁、铝、镓、锡、铅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、钼、铑、钯、银、镉、钨、金及汞的颗粒，这些和其它金属的合金，因科镍合金(Inconel)625、因钢(Invar)、不锈钢、不锈钢304以及这些和其它金属和合金的混合物和变型。起始材料的实施例可以是或包括：陶瓷材料，诸如碳化硅，光构型(photo-structurable) 铝硅酸盐玻璃陶瓷基底；铝充填塑料；耐冲击尼龙；尼龙；玻璃充填尼龙；阻燃尼龙；碳纤维；碳纤维充填尼龙；以及橡胶类塑料等。***的实施例还可以包括流动气体气刀，以确保光学***保持清洁并且提供捕获材料处理期间释放的任何挥发物的装置。所述颗粒还可以含有金属和其它材料，诸如陶瓷或填料，例如用以制备混合金属络合物制品或复合制品。也可以使用3D打印领域已知的其它类型的起始材料。优选地，功能激光束波长可以匹配(例如，预定)起始材料的吸收特性。因此，例如，在图11中示出了在450nm处具有高吸收的起始材料的实施例，这也示出在图16中。

可以并入金属颗粒，并且优选地使其均匀地分布在纤维或杆中而供至激光束的路径内以构建制品。优选地，用于纤维或杆中的金属颗粒的载体可以并入到正在形成的合金中，从而建立每个金属与金属“管”的正确比例，以提供熔池中必要的材料平衡。此外，纤维或杆载体可以是非金属材料，其通过功能激光束蒸发，由气刀***去除，而对起始材料或构建制品具有最小、可以忽略的影响或没有影响。还可以选择载体材料，以形成制品的一部分，诸如复合制品。例如，功能激光束可以具有吸收特性，该吸收特性提供金属颗粒的熔合，从而产生用于制品的基质，之后用载体材料填充。

新型激光器和高功率激光束为这些类型的预定起始材料组合提供了许多条件，以利用不同的吸收特性并且构建用先前的3D打印所不能获得(通常不能在低于约700nm的波长下获得)的材料和制品。此外，如果金属颗粒处于亚微米范围，则提供了构建独特新型的纳米复合制品和纳米复合材料的能力。

应当理解，制品和所构建或制造制品可以是：例如，最终成品，用于最终产品的成品部件，需要进一步加工或附加制造步骤的产品或部件，用于其它应用的材料以及基底上的涂层,例如电线上的涂层。

起始材料的颗粒可以完全由单一金属或单一合金组成，可以完全由几种金属、合金以及两者的混合物组成，可以由约5％至约100％的金属、合金或两者组成。起始材料颗粒的金属基组分可以位于颗粒的外部，以便与激光束直接接触并可用于将颗粒耦合在一起。颗粒可以是相同的形状、基本上相同的形状，或者它们可以是不同的形状。颗粒可以是基本上相同的尺寸，或者它们可以是不同的尺寸。颗粒的横截面尺寸可以为约<1μm至约1mm，约1μm至约100μm，约1μm至约5μm，约0.05μm至约2.5μm，约0.1μm至约3.5μm，约0.5μm至约1.5μm，约1μm至约10μm，约0.1 μm至约1μm，以及更大和更小的尺寸。颗粒尺寸，例如横截面，可以相对于预定功能激光束波长具有预定尺寸。因此，例如，颗粒的尺寸可以是激光束光斑尺寸的约1/10，与激光束波长相等，是波长的2倍，是波长的3 倍，是波长的5倍，是波长的10倍以及更小和更大的尺寸。优选地，使用尺寸小于激光束光斑的颗粒和与激光束尺寸大致相同的激光束光斑(例如，形成其最小光斑的单模衍射受限光束)可以提供分辨率非常高的制品，例如，高分辨率3D打印。

可以相对于预定功能激光束光斑预先确定颗粒尺寸和形状。因此，例如，颗粒的尺寸可以小于激光束光斑(例如，1/2、1/5、1/10)，与激光束光斑大致相等，是光斑的2倍，是光斑的3倍，是光斑的5倍，是光斑的10 倍。颗粒可以具有与激光束光斑的形状基本上相同(例如，对于圆形光斑来说的球形珠状)或不同的形状，以及这些形状的组合和变型。

对于具有一定粒度分布的起始材料中的一批颗粒，当涉及颗粒的尺寸时，可以使用中值粒度分布，例如D₅₀。一般的3D打印机的平均粒度为40 μm，颗粒尺寸的范围为15μm至80μm。控制更加严格的颗粒分布是优选的，并且将改善最终打印部件的表面粗糙度。

起始材料中的颗粒的形状可以是任何体积形状，并且可以包括例如以下形状：球形，小球，环状，透镜状，圆盘状，面板状，锥形体，截头圆锥形状，正方形，矩形，立方体，通道状，中空密封室，中空球体，块状，片状，涂层，膜，表层，厚板，纤维，短纤维，管状，杯状，不规则或无定形形状，椭圆体，球体，卵形，多面结构和多面体(例如，八面体、十二面体、三十二面体、菱形三十面体和棱柱)以及这些和工程和建筑上其它更复杂形状的组合和变型。优选的颗粒形状基本上是几乎完美的球体，具有窄的尺寸分布，以便帮助颗粒流过***并且降低所制造的最终部件的表面粗糙度。当平均粒度小于40μm时，可减少颗粒之间的粘滞、摩擦以及粘滞和摩擦的任何形状都是优选的。

参考图2至图2B，示出了LAM工艺的实施例的示意图。在图2中，示出了形成两个层204、205的几种起始材料颗粒(例如，201、202、203) 的简化示意图。在操作中，功能激光束与将它们熔合在一起形成制品207 的初始部分206(如图2A所示)的起始材料颗粒相互作用。在图2B中，起始材料颗粒(例如，209)的附加层208被放置在初始部分206上。然后，功能激光束将附加层208与初始部分206熔合，而进一步构建制品207。然后重复该过程直到制品完成。

在图2至图2B的工艺和制品的实施例中，制品被构建为基本上呈固体的整体材料，例如初始部分206所示。LAM装置和工艺、特别是使用表1 的激光束的LAM装置能够制造非常坚固的制品，而不需要单独的浸渗或树脂浸渗步骤来加强制品。因此，本发明LAM装置和方法的实施例可以在单步骤(即，没有随后的浸渗过程、充填或再充填类过程)中将制品制成比利用当前3D打印机通过单个过程制造的制品和通过两步再浸渗过程制成的制品坚固2倍、3倍、4倍、10倍或更多。因此，由本发明LAM的实施例构建(例如，3D打印)的本发明的制品可以具有表II中列出的性质。

表II

LAM构建的制品和材料、特别是通过单步骤3D打印工艺构建的制品的实施例可以具有一个或多个下列性质：0至32μm/(m-K)的热膨胀度(25℃ 下)；18至450W/(m-K)的热导率；14至420nΩ-m的电阻率(20℃下)；40 至220GPa的杨氏模量；15至52GPa的剪切模量；40至190GPa的体积模量；0.2至0.5的泊松比；1至7的莫氏硬度；150至3500MPa的维氏硬度；35至2800MPa的布氏硬度；1.5至21g/cm³的密度；以及这些与其它特征和性质的组合。

参考图3，示出了由金属起始材料制成的呈构建骨架301形式的制品的实施例，该制品实施例可以依照LAM处理计划使用功能激光束通过选择性地熔化金属起始材料而形成。骨架301具有互连的细丝，例如302、303和空隙(例如304)。可以对该制品301执行进一步的LAM加工或其它加工，或者制品301可以是最终制品，例如过滤器。

参考图4，示出了由几个不同尺寸的起始材料颗粒(例如401、403、 404)构成的构建制品400的实施例。颗粒在耦合处(例如405、406、407) 被熔合在一起并形成空隙，例如408。可以对该制品400进行进一步的LAM 加工或其它加工，或者制品400可以是最终制品。

参考图5，示出了LAM***500的实施例的透视图。***500具有机壳501，该机壳501容纳有激光单元、激光束传输组件和基座。机壳501还容纳有电动机、传感器、致动器、喷嘴、起始材料输送装置以及用于执行相对运动和以预定方式输送起始材料的其它装置，例如用于实现LAM加工计划的设备和装置。机壳501，更具体地说是机壳501内的组件，经由电缆 503与具有控制器的操作站502处于数据和控制通信。控制器可以是PLC (可编程逻辑控制器)，自动化和装置控制器，PC或可实现LAM加工计划的其它类型的计算机。在该实施例中，操作站具有两个GUI(图形用户界面)503、504，例如监控器。机壳501具有检修面板505，该检修面板505 可以是具有激光安全玻璃的窗口。

在LAM***的实施例中，该***(优选地，机壳)可以容纳以下附加部件：自动空气过滤器，起始材料大容量存储器，用于输送空气以清洁最终制品的压缩机，内部过滤***，使得构建区域(例如，功能激光束与起始材料相互作用以及熔合起始材料的位置)保持清洁且没有干扰激光束沿着激光束路径行进的灰尘或其它材料。此外，控制器可以位于机壳中，与机壳相邻或位于远程位置，但可以与***处于控制和数据通信。也可以使用并且优选地使用构建室和过滤器中的氧气监测仪，以连续监测不存在氧气。

参考图6，提供了LAM构建区域600的透视图。构建区域600具有构建台601，该构建台601具有驱动电动机602，该驱动电动机602通过铰接机器人603连接至台601。以这种方式，可以控制台的运动，转动，角度，间隔距离。起始材料输送组件604具有定位在瞄准激光束608所在位置附近的原料供给管线605和喷嘴606。激光束608从激光头614传输。激光头614具有：用于观察LAM过程的摄像机611，用于输送来自激光单元的功能激光束的连接器612和光纤613，以及用于传输激光束608的光束成形光学组件607，例如用于将激光束608沿着激光束路径616传输至目标区域 617的聚焦光学器件。激光头614具有两个激光位置确定装置609、610，它们使用激光束来测量和监控在LAM过程期间所构建的制品的位置大小和形状。激光头614具有连接至框架(未示出)的安装件615。该框架和驱动电动机602也可以是整体式的，并且可以移动以提供其它类型的相对运动。

较低的波长范围(例如，约700nm及更低)在LAM、特别是3D打印中具有显着优点。在这些较低的波长范围内，起始材料、特别是金属和金属基起始材料的较高吸收率能够以更高的效率进行LAM加工。例如，由于吸收率高，仅需较小的激光功率就能进行起始材料的耦合来构建制品。其结果是带来以下等优点：构建时间更快，LAM设备更便宜，LAM设备需要更少的维修且具有更大的占空比。

例如，构建金属制品的3D打印机的实施例的线性打印速度可以大于1 m/秒，大于5m/秒以及大于10m/秒。此外，通常根据具体材料，蓝色激光可以切割2mm或更薄的金属片，是CO₂激光器至少约4倍快，是光纤激光器的至少约2倍快。换句话说，这使得2kW蓝色激光器对于这些材料具有与5-8kW CO₂激光器相同的切割速率。蓝色激光的吸收增加是有利的，并且在绝热过程主导激光工艺(诸如切割、焊接和烧结薄材料的情况)的情况下是优选的。对于5mm或更厚的材料来说，其中过程如果受到正被加工的材料的热扩散性的限制，这种优点利用得较少，或提供了较小的益处，并且因此，仅与所正在使用的总功率相比，吸收性能对该过程具有较小的影响。

另外，较低的波长使得能够具有基本上较小的光斑尺寸和对构建过程更大的控制。以这种方式，利用本发明LAM***可以获得具有更锐利边缘、更光滑的表面以及高度精细的表面特征和性质的制品(等同于精细加工的部件)。基本上，由激光形成的光斑尺寸受到源激光器的波长的限制，波长越短，对于给定焦距***形成的光斑尺寸越小。然而，如果需要相同的光斑尺寸，则相比于IR激光器，可以将焦距较长的透镜与蓝色激光器一起使用，从而允许蓝色激光器提供高达8倍的可寻址的红外激光源体积。

与所熔合的粒度相结合的***的光斑尺寸决定了最小特征尺寸和表面粗糙度。使用<40μm、<10μm或<1μm的光束尺寸的小直径颗粒(<40μm、 <10μm或<1μm)可以产生具有约40μm、约10μm或约1μm级的最小特征尺寸的部件，从而显著改善<1μm的部件的表面粗糙度。光斑越小，用于形成部件的颗粒越小，这意味着，可以控制该部件的收缩率和应力而显著优于较大的颗粒，因此可以实现更大的部件稳定性。加工的材料体积越小，熔化“体元”所需的能量就越少，因此基底或处于建造中的部件在制造期间将经历较低的热梯度，并且因此部件从其处理温度“冷却”下来时的收缩量较低。因此，通过使用较低的激光功率，例如较低的热输入，而将颗粒熔合成固体，可以实现所构建的制品的更大的强度和更低的变形量。

本发明激光器的实施例提供300nm至800nm范围内的激光束。本发明的拉曼激光器的实施例提供波长范围在300-700nm的激光束，特别是波长在400nm级范围和500nm级范围内的激光束。本发明拉曼激光器的实施例的功率为至少约10W(0.01kW)，至少约100W(0.1kW)，至少约 1000W(1kW)，至少约5kW以及更大。此外，本发明的拉曼激光器和激光束具有极佳的光束质量。因此，这些拉曼生成的激光束的实施例可以具有如图18所示的光束参数可扩展性。该图突出显示了可利用以下生成的光束参数：直接蓝色激光二极管源(450nm)线1801、波长组合的蓝色激光二极管源线1802，光学组合的拉曼激光源线1803以及波长组合的蓝色拉曼激光源线1804。拉曼激光源提供的源亮度优于具有类似功率输出的IR激光器。波长组合的拉曼光源在整个广泛的输出功率水平范围内提供了前所未有的功率和光束亮度。随着能够在广泛的光谱范围(对于熔融石英为约10 μm)内保持单模性能的大芯径光纤的发展，拉曼激光源可以具有类似于波长组合的拉曼激光源的可扩展性。

应当注意，虽然本说明书主要集中于在LAM工艺、***和装置中使用本发明的拉曼高功率蓝光激光器的应用，但是本发明的拉曼激光器也可用于许多现有和未来的应用。因此，例如，本发明的拉曼激光器的实施例可以应用于：焊接、切割、热处理、钎焊和表面改性；泵浦n级拉曼光纤激光器，以实现任何可见波长；提供具有至少约10W功率的蓝色拉曼激光束，而与用于投影彩色图像(包括3D能力)的数字反射镜装置组合；提供用于娱乐目的的具有至少约10W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于泵浦磷光体的具有至少约10W功率的蓝色拉曼激光束，而用于生产可以应用于投影系统、前照灯或照明***等的白光源；提供用于水下激光测距的具有至少约 10W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于水下通信(包括加密通信)的具有至少约10W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于激光测距(特别是处于高含水量环境(诸如雾和云)中的激光测距)的具有至少约10W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于通信(特别是处于高含水量环境(诸如雾和云)中的加密通信)的具有至少约10W功率的蓝色拉曼激光束；提供用作水下和高含水量环境(诸如雾和云)中的激光武器的具有至少约1000W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于船舶和离岸救助作业(特别是处于表面、潮滩和地下环境)的具有至少约10000W功率的蓝色拉曼激光束；提供用作海上、距离海上不到几英尺、穿过海洋波浪以及海洋表面下方的激光武器的具有至少约1000W功率的蓝色拉曼激光束；提供用作非致命激光武器的具有至少约1000W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于玻璃切割的具有至少约100 W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于去除油漆的具有至少约1000W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于通过拉曼散射在海底发现钻石的具有至少约100 W功率的蓝色拉曼激光束；提供用于熔化AuSn焊料和一般焊接的具有至少约100W功率的蓝色拉曼激光束。

本发明的蓝色拉曼激光器的实施例可以应用于大多数现有的激光切割、加工和制造***。蓝色拉曼激光器可以是这些***的现成替代物，而替换目前在这种***中使用的现有IR(红外，>700nm)激光器。相比所替换的IR激光器，在这些***中，蓝色拉曼激光器可以使效率和处理速度增加至两倍至十倍以及提供其它优点。蓝色拉曼激光器还可以提供整体上改进的***，这种***具有较小的功率要求和较小的占地面积。因此，例如，蓝色拉曼激光器的实施例可以用来替换(例如，置换)制造设备(例如大型汽车制造厂)的激光***中所使用的IR激光器。优选地，可以在引起该激光***的其它部件(诸如用于蓝色波长的需要涂覆的光束传输光学器件)的最小变化的情况下发生该激光器置换。

通常，本发明的蓝色拉曼激光器的实施例使用固态激光器来泵浦n级拉曼激光器，以在410nm和800nm之间振荡。在一个实施例中，在405-475 nm区域发射的的蓝色二极管激光器阵列(具有至少10个，至少50个以及至少1000个二极管)可以泵浦n级拉曼激光器在410nm至近红外800nm 之间的任意级(例如n拉曼级)上振荡。应当理解，更大的级或其它级也是可行的，并且在本发明的设想之内；然而，在405-475nm范围内的n级在目前是优选的，这是因为在波长泵浦范围内有几种市售激光二极管可用于提供n级拉曼范围。

在一个实施例中，蓝色二极管激光器阵列可以泵浦反斯托克斯拉曼激光器，从而通过n拉曼级生成短达300nm的波长。虽然反斯托克斯线的增益明显低于斯托克斯线，但是当从450nm泵浦波长转变成300nm时，优选地使用低损耗介质。

在一个实施例中，蓝色激光二极管泵浦基于在T056情况下或单独安装的单独激光二极管。通常，来自激光二极管的泵浦激光束在两个轴线上是准直的。激光二极管可以在***背板之前放置在模块化封包中，其中所有的激光二极管可以是共线的并同时聚焦成单个光纤。激光二极管也可以安装在单个载体上，其光束准直并通过单个聚焦光学器件发射到光纤中。因此，激光二极管光束可以发射到外包层为20μm或更大的双包层光纤中，并且内芯直径足以支撑第n拉曼级(将作为输出激光波长)处的单模操作。外包层与内芯的比率受到n+1级的阈值的限制，其中期望泵浦第n级而不是n+1级。可以通过以下方式抑制n+1级：限制外层与内芯的比率、纤维的长度，或通过谐振器中的滤波器抑制n+1级。

在优选实施例中，当由高亮度蓝色激光源泵浦时，本发明的拉曼蓝色激光器可扩展至2.9kW。在这些功率水平下，通过蓝色激光二极管泵浦至 455nm或459nm波长的转换效率可以高达80％，其结果是***电光转换效率≥20％。

拉曼转换过程取决于且可高度依赖于光纤在蓝色波长下的模态损耗。这种损耗主要是由于光纤中的瑞利散射，并且根据波长的反向第四功率而变化，因此，450nm处的损耗可以处于30dB/km的量级。在设计激光*** 时，这种损耗可能成为关心的问题，并且在一些实施例中是主要关心的问题。为了解决这种损耗，本发明的拉曼激光器的实施例可以使用短光纤(例如，<15m，<10m，<5m，<3m)。这些较短长度的实施例提高了激光器的操作效率。然而，应当理解，可以设想到更长的纤维。因此，拉曼振荡纤维的长度可以是30m及以上，50m及以上，80m及以上，以及100m 及以上。

对该拉曼激光器的实施例进行建模表明，可以使用相对高的输出耦合器反射率来实现在第一拉曼转换级下的高振荡功率电平，这使得有效的能量传递到该级。由于拉曼位移引起的能量转换损耗是标称值，这是因为泵浦波长为447nm，可以使得第一拉曼级在455nm处振荡。这对应于在转换波长下仅2％的量子亏损，而98％的能量是可用的。然而，对于最短的纤维建模(6m)，纤维中的瑞利散射将转换效率限制在小于80％。应当理解，设想了比该模型化激光器更短的光纤激光器，并且可以获得更大和更小的转换效率。相反，如果可以在光纤中降低瑞利散射，例如，对于熔融石英纤维的损耗为85％的掺P₂O₅纤维，而增益为5倍高，则可以获得更高的效率。

本发明的拉曼转换激光器能够处理n拉曼级。这种能力可用来设计可以以预定波长(例如在455nm或459nm处)振荡的光纤激光器输出。该实施例可以设计成在不同波长(例如在455nm和459nm处)下同时振荡。优选地，抑制次拉曼级。这种抑制可以通过以下方式来实现：例如，在纤维上具有良好的AR涂层，限制纤维的长度并限制包层与芯的比率，在次拉曼级下增加同轴(in-line)有损滤波器，以及这些的组合和变型。

除了纤维之外，拉曼振荡器可以是晶体和气体。拉曼晶体振荡器可以是：例如金刚石、KGW、YVO₄和Ba(NO₃)₂。拉曼气体振荡器可以是：例如，比如50个大气压的高压气体，高压氢气和高压甲烷。

通过将包层泵浦拉曼激光器与激光二极管光束组合方法进行结合，实现了在400-800nm范围内(例如在455nm或459nm处)波长的多个kW 光纤激光器的设计和构造。图7是当根据光纤长度将高达4000瓦的激光二极管功率发射到具有30μm单模芯的直径为200μm的包层中时的该激光源的预测输出。图7示出了拉曼光纤激光器的功率输出W与％输出耦合器，该拉曼光纤激光器由长度为20m、15m、10m、8m和6m的拉曼光纤产生459nm激光束。这些较短长度的纤维实施例具有额外的优点：减少、减轻且优选地消除由其它非线性现象(诸如受激布里渊散射)引起的不利后果，同时抑制次拉曼级振荡。

在实施例中，采用金刚石拉曼转换器或类似材料的方法使用与模式匹配的泵浦光束组合的常规谐振器，例如半共焦或全共焦谐振器。金刚石由于非常大的斯托克斯位移和高拉曼增益系数而成为不二之选。

各种振荡器的斯托克斯位移的实施例在表III中示出，其中第一斯托克斯位移在450nm至479nm的光波长中对应于29nm位移，利用在该波长下为透明的当前可用材料，最大的单斯托克斯位移之一是可以实现的。可以使用其它的拉曼转换方法来实现高功率可见操作，诸如，例如发射到以下材料中：纯熔融石英光纤，掺GeO₂光纤，掺P₂O₅(磷)光纤，由激光二极管阵列或单个激光源泵浦的KGW晶体，由激光二极管阵列或单个激光源泵浦的YVO₄(钒酸钇)晶体，由激光二极管阵列或单个激光源泵浦的 Ba(NO₃)₂(硝酸钡)晶体。

表III

这些激光二极管的封装概念的示例使得能够以高度模块化的设计实现非常紧凑的高密度配置，这可以提供足够冗余的显著可靠性。蓝色二极管激光器件的实施例在20℃下450nm处振荡。这种波长可以通过冷却二极管而转移至更低的波长，例如GaN激光二极管波长位移为约0.04至0.06 nm/℃。也可以通过利用外部光栅锁定二极管来降低波长，诸如利特罗 (Littrow)或利特曼-梅特卡夫(Littman-Metcalf)外腔中的体积布拉格光栅(VBG)或刻划光栅。仅需要单个VBG就将整个泵浦阵列锁定至所需波长。但是也可以使用两个、三个或更多个VBG。对于在455nm或459nm 处振荡的拉曼激光器，泵浦波长可以是450nm。应该注意，相比459nm线， 455nm线具有更低的增益并导致较低的转换效率。

蓝色激光二极管泵浦被光纤耦合并熔接至拉曼激光器，例如拉曼振荡器光纤。这是优选的，并且提供了最稳健的设计，使得能够在诸如高振动和大的温度变动幅度等极端条件下操作。应当认识到，尽管对于极端条件是优选的，但也可以采用将泵浦激光器耦合至拉曼振荡器光纤的其它方式，诸如具有外部光学器件的自由空间。

参考图8，示出了纤芯直径为10μm且包层直径为62.5μm的拉曼振荡器光纤激光器的模拟输出。该激光器在光纤远端上具有处于泵浦波长的HR 光栅，而在光纤的泵浦输入端具有处于一级拉曼的HR光栅。改变输出耦合器在光纤远端一级拉曼下的反射率，以研究对纤维长度和泵浦中心波长的依赖性。对于抑制二级拉曼振荡，在一级拉曼下需要高反射率的设计是优选的，但并不要求。对于455nm振荡器输出，图8中示出了耦合到该拉曼振荡器光纤中的泵浦波长在450nm、449nm、448nm和447nm变化的结果，由此显示在预定波长处的振荡的泵浦带宽。在该曲线图和模型中，输出功率被示出为输出耦合器和泵浦源波长的函数。纤维的长度为15米，包层直径为62.5μm，数值孔径(na)为0.21。较高的外包层na使得高的输出功率电平能够注入到包层中。

459nm拉曼激光模拟结果示于图9。在该实施例中，拉曼激光器提供 459nm的激光束，其中输出功率被示出为两个光纤长度为20m和15m的输出耦合器的函数。包层和纤芯的构造与图8的实施例相同，459nm是使用激光二极管的450nm中心波长泵浦时的这些光纤的一级拉曼。如果需要宽带温度操作，可以使用体积布拉格光栅来稳定该波长，而对输出功率具有微小的影响。

使用500mm焦距透镜测量产生450nm光束的蓝色激光二极管泵浦的实施例，以确定光束焦散线，从而确定激光器阵列可发射的光纤直径。图 10示出了作为输出功率的函数的光束腰，光束腰不随着装置的输出功率而大幅变化。该图显示，慢轴具有200μm的1/e²光束腰，当使用80mm焦距透镜时，其转换成30μm的光束腰。图10也具有用曲线图表示的快轴。这意味着对于该实施例，可以在直径为62.5μm的纤维中实现超过90％的耦合效率。在发射到62.5μm直径光纤之前，通过使用两种偏振状态可以使泵浦功率和亮度提高一倍。因此，在该实施例中，拉曼振荡器激光光纤的输出功率将大于约60瓦特，输入功率为200瓦特。

在图7-10的实施例中使用的高亮度蓝色激光二极管提供了足够的注量，以在单模芯中产生足够的增益而允许拉曼振荡，从而提供拉曼生成的激光束。因此，这些本发明实施例克服了阻碍可见拉曼激光器发展的关键问题之一。该问题就是光纤在可见光波长下的高损耗。这被认为是为什么可见拉曼振荡激光器在本发明之前被本领域忽视且未被其他人说明或提出的原因之一(如果不是关键原因)。

本发明的拉曼振荡器的实施例可以由许多不同类型的材料制成。优选地，对于纤维，它们是基于二氧化硅的材料，并且将包括已掺杂有GeO₂或P₂O₅的二氧化硅基纤维，它们的特性示于表III中。其它重金属也可以用作各种类型的振荡器的掺杂剂，其中工作波长接近吸收的频带边缘，这导致相比常规源可能显著较高的异常拉曼增益。用于500nm光的一个材料示例是碲酸盐掺杂玻璃，其中拉曼增益几乎是熔融石英的40倍。在450nm的目标波长处可以使用具有类似结果的其它掺杂剂。

在优选实施例中，对于双包层光纤，具有高NA外包层，其中包层在泵浦波长处具有相对低的损耗，并且纤芯的尺寸>3μm，>10μm，且在一些实施例中包括>20μm。包层/纤芯比率优选地保持在阈值以下，用于二级斯托克斯线的自振荡。一级斯托克斯增益由耦合到纤芯的包层中的光的强度决定，而二级斯托克斯增益由纤芯中的一级斯托克斯线的振荡决定。如前所述，这成为限制因素，并且取决于如下因素：光纤中的损耗，一级斯托克斯线的振荡功率、光纤的长度及由此产生的总增益，以及(如果有的话) 二级斯托克斯信号反馈。该过程最终限制了可以通过该方法实现的亮度增强量，这可以例如通过图18所示的可扩展性来解决，其中拉曼源需要波长束组合方法来实现高亮度和高功率。

拉曼放大具有非常宽的带宽，从而使得能够充分达到GHz状态的调制速率。由于与反转过程相关的寿命短，因此蓝色拉曼激光源的快速调制是可行的。快速调制能力可以在增材制造应用中提供显著的益处，其中例如，部件具有高空间频率或需要重现的精致细节。理想情况下，激光可打开和关闭的速度越快，打印部件就越快。例如，在给定扫描速度的实施例中，部件的空间频率成为打印速率的限制，因为仅能以几kHz调制的激光器需要扫描仪在低速下移动以复制精细细节和该部件的空间频率，然而，能以 10GHz(regime)左右调制的激光器可以快速扫描部件，从而快速打印部件。

表IV示出了光纤激光器的构建速率与等效功率级蓝色激光器的构建速率的比较。该表显示，对于给定的光斑尺寸，蓝色激光器可以实现更大的构建体积，并且根据所对比的材料，速度在增强的激光波长吸收的基础上增加为至1.2倍(钛)至>80倍(金)。

表IV

参考图13A，示出了通过三个拉曼级数的斯托克斯线发生的转变，以从450nm泵浦源提供478nm功能激光束。

图13B和13C中示出了具有不同材料的拉曼光纤激光器的示例以及在用450nm激光器泵浦时的n级斯托克斯位移的其相应波长输出。这些纤维都具有20μm直径的纤芯和50μm的包层厚度。

参考图14A，示出了通过三个拉曼级数的反斯托克斯发生的转变，以从450nm泵浦源提供425nm功能激光束。

图14B和14C中示出了具有不同材料的拉曼光纤激光器的示例以及在用450nm激光器泵浦时的n级斯托克斯位移的其相应波长输出。这些纤维都具有20μm直径的纤芯和50μm的包层厚度。

参考图15，示出了掺磷硅酸盐光纤的拉曼光谱。纤维中的P₂O₅浓度为： 18mol％，线1；7mol％，线2；以及不含P₂O₅(例如0nik％)的熔融石英纤维，线3。因此，可以在几cm^-1至1330cm^-1的广泛的频率范围内实现激光发射。

提供以下实施例用以说明本发明的LAM***、LAM方法以及拉曼振荡器激光器的各种实施例。这些实施例仅用于说明性的目的，而不应视为本发明的范围，本发明的范围也并不限于此。

示例1

拉曼激光模块(RLM)具有正向泵浦拉曼标准激光器模块，其作为用于拉曼激光振荡器光纤的泵浦激光器，以提供用于各种制造应用和预定制造应用的200W、M²为约1的460nm激光束，该激光束可以调制为高达2 MHz。泵浦标准激光模块(SLM)提供200W、10mm-mrad的约450nm 激光束，该激光束待用作激光振荡器光纤的正向泵浦。振荡器光纤具有60-100μm的包层，10-50μm的纤芯，并提供输出为200W、<0.3mm-mrad、约460nm的激光束。

示例2

示例1的5个RLM处于图5的增材制造***中。它们的光束被组合形成单个1kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例3

示例1的5个RLM处于图6的增材制造***中。它们的光束被组合形成单个1kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例4

示例1的7个RLM处于图5的3D打印机中。它们的光束被组合形成单个1.4kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例5

示例1的10个RLM处于图6的增材制造***中。它们的光束被组合形成单个2kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例6

拉曼激光模块(RLM)具有反向泵浦拉曼标准激光器模块，其作为用于拉曼激光振荡器光纤的泵浦激光器，以提供用于各种制造应用和预定制造应用的200W、M²为约1的460nm激光束，该激光束可以调制为高达2 MHz。泵浦标准激光模块(SLM)提供200W、10mm-mrad的约450nm 激光束，该激光束待用作激光振荡器光纤的反向泵浦。振荡器光纤具有60-100μm的包层，10-50μm的纤芯，并提供输出为200W、<0.3mm-mrad、约460nm的激光束。

示例7

示例6的5个RLM处于图5的增材制造***中。它们的光束被组合形成单个1kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例8

示例6的8个RLM处于图6的增材制造***中。它们的光束被组合形成单个1,6kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例9

示例6的一个RLM处于图5的增材制造***中。该LRM提供单个0.2 kW的功能激光束。该示例的实施例可以用于打印(例如构建或制造)金属基制品。

示例10

在来自发端泵浦波长的任何n-拉曼级数下，高功率拉曼激光器由高亮度蓝色激光二极管以>1瓦的输出功率泵浦。

示例11

示例10的激光器用于诸如焊接、切割、热处理、钎焊以及表面改性的材料加工应用的用途。

示例12

高功率蓝色激光二极管***(405nm-475nm)，其可以将>100瓦特发射到>50μm的光纤中。

示例13

高功率蓝色激光二极管***，具有>5mm-mrad的光束参数乘积，用于泵浦拉曼光纤激光器。

示例14

高功率蓝色激光二极管***，具有>10mm-mrad的光束参数乘积，用于泵浦拉曼光纤激光器。

示例15

泵浦n拉曼级光纤激光器的高功率蓝色激光二极管***，以实现任何可见波长。

示例16

泵浦具有所有n级上输出的拉曼光纤激光器的高功率蓝色激光二极管 ***，其中n>0。

示例17

高功率拉曼激光***，具有2>M²>1的光束质量。

示例18

在410-500nm下工作的>1瓦特的高功率拉曼激光***可用于处理材料。

示例19

>1000瓦特的高功率蓝色拉曼激光器***，用于切割、焊接、钎焊、抛光以及刻印材料。

示例20

>10瓦特的高功率蓝色拉曼激光***，具有模块化设计的高功率二极管泵浦***。

示例21

>10瓦特的高功率蓝色拉曼激光***，具有气冷式蓝色二极管激光泵浦。

示例22

高功率蓝色二极管激光***，其光谱上光束组合产生可用于泵浦高功率拉曼激光***的<10nm复合光束。

示例23

>10瓦特的高功率蓝色拉曼激光***，其光谱上光束组合产生具有低 M²值的复合光束，例如小于2.5、小于2.0、小于1.8、小于1.5以及小于1.2。

示例24

>10瓦特的高功率蓝色拉曼激光器放大器***，其被相干地组合以产生非常高的功率衍射受限光束。

示例25

示例23的使用棱镜进行光谱上光束组合的高功率蓝色二极管激光器系统。

示例26

示例23的使用衍射元件进行光谱上光束组合的高功率蓝色二极管激光拉曼激光泵浦。

示例27

示例23的使用体积布拉格光栅进行光谱上光束组合的高功率蓝色二极管激光拉曼激光泵浦。

示例28

与用于投影包括3D能力的彩色图像的数字反射镜装置组合的>10瓦特的高功率蓝光拉曼激光器。

示例29

用于娱乐目的>10瓦特的高功率蓝色拉曼激光器。

示例30

>10瓦特的高功率蓝光拉曼激光器，用于泵浦磷光体以产生可用于投影 ***、前照灯或照明***的白光源。

示例31

高功率蓝色激光二极管模块的阵列，通过用于泵浦拉曼光纤激光*** 的体积布拉格光栅锁定到窄波长带。

示例32

高功率蓝色激光二极管模块的阵列，通过用于泵浦拉曼光纤激光*** 的光纤布拉格光栅锁定到窄波长带。

示例33

高功率蓝色激光二极管模块的阵列，通过用于泵浦拉曼光纤激光器的透射光栅锁定到窄波长带。

示例34

高功率蓝色激光二极管模块的阵列，通过用于泵浦n级拉曼激光器的透射光栅锁定到一定波长范围。

示例35

连接至背板的气冷式或水冷式热交换器，以消散来自激光二极管模块和拉曼光纤激光器的热量。

示例36

具有整体式驱动电子器件的激光二极管模块，用于控制电流并实现激光二极管的快速脉冲调制用于泵浦拉曼激光。

示例37

基于诸如金刚石的转换器材料的高功率拉曼激光器，其中拉曼激光器由与拉曼激光模式匹配的可见激光二极管阵列泵浦。

示例38

使用示例37中的激光器进行材料加工的用途，诸如焊接、切割、钎焊、热处理以及表面改性。

示例39

将本发明的UV激光器(350nm)的实施例的构建速度与现有技术的 IR光纤激光器(1070nm)的构建速度进行比较。从上述表IV可以看出，本发明的实施例可以获得明显更大的构建速度。

示例40

示例1-8的实施例可以与铣床(诸如CNC机床)或激光、声波、喷水、机械或其它类型的铣削、机械加工或切割设备组合，或以其它方式结合到这些设备中。以这种方式，而存在拉曼增减材制造设备和方法。在一个实施例中，功能拉曼激光束可用于构建制品，然后进一步加工，即去除材料。拉曼激光束可用于将损耗的材料增添到进一步加工的磨损制品上。也可以设想增加、去除和增加材料以达到最终产品、部件或制品的其它变型和组合。因此，在一个实施例中去除拉曼激光束增加的材料。在激光加工增减材设备和工艺中，用于去除(例如减材制造、切割激光束、加工激光束) 的激光器可以是：拉曼生成的光束，LAM功能光束或具有不同波长(例如 IR，诸如波长>1000nm)的分离光束，切割激光束和功能激光束(LAM光束)可以遵循基本上相同的光束传输路径，可以遵循基本上不同的光束传输路径，并且可以共用一些、全部或不共用光束成形与传输光学元件以及这些的组合和变型。

示例41

示例1-8的实施例具有作为纵向移动表面或支撑结构的工作台，例如皮带、输送机或铰接和交叠叶片，这允许制造连续的带状、杆状、纤维、绳状、线状、管状、条状或其它细长结构。

示例42

示例1和6的实施例用于图17的增材制造***。***1700具有：用于保持起始材料的料斗1701，用于输送起始材料的可调计量板1702，加工站1703，运输室1704，计量板致动器销1705，往复件1711，齿条齿轮往复驱动器1706，往复式步进电动机1707，废物箱1708，升降式步进电动机 1709以及升降机1710。

示例43

LAM***是电流扫描粉末床工艺和***。激光传输设备具有用于激光束的准直器/光束扩展器以及X-Y电流扫描***和F-Theta透镜。根据构建过程，准直器/光束扩展器可以是固定比率或可变的，如果需要较大的光斑尺寸，则光束扩展器比率降低。类似地，如果需要在部件上具有较小的光斑尺寸，则增大光束扩展器比率以产生更大直径的发射光束。粉末与起始材料输送***一起被放置在工作台上，并用调平机构调整为水平。在该实施例中，仅需要工作台在z轴上运动。激光束路径中的可变焦距透镜也可用于完成z轴运动。

示例44

具有>10mm-mrad光束参数乘积的高功率蓝色激光二极管***，其可用于焊接、切割、钎焊、抛光以及刻印诸如金属、塑料和非金属材料的材料。

示例45

RLM使用主振荡器功率放大器配置或傅里叶变换外腔而相干地组合。美国专利第5,832,006号中公开并教导了用于相干光束组合的***的示例，该专利的全部内容通过引用并入本文。

应当注意，本文没有要求提供或提出以本发明的实施例的主题为基础或与之相关联的新颖和突破性方法、材料、性能或其它有益特征和性质的理论。然而，在本说明书中提供了各种理论以进一步推进该领域的技术。除非另有明确说明，本说明书中提出的理论绝不限制、约束或缩小要求保护的发明的保护范围。这些理论中的很多都不需要或实践以使用本发明。还可以理解，本发明可带来新的和迄今未知的理论来解释本发明的方法、制品、材料、装置和***的实施例的功能特征；这种后续发展的理论不应限制本发明的保护范围。

在本说明书中阐述的***、设备、技术、方法、活动以及操作的各种实施例可以应用于除了本文所阐述的那些之外的各种其它活动和其它领域。此外，这些实施例(例如)可以与以下一起使用：将来可能开发的其它设备或活动；以及可基于本说明书教导部分修改的现有设备或活动。此外，本说明书中阐述的各种实施例可以以不同的和各种组合相互一起使用。因此，例如，可以互相使用本说明书的各种实施例中所提供的配置；并且本发明的保护范围不应限于特定实施例、示例或特定图的实施例中所阐述的特定实施例、配置或布置。

本发明可以实施为除了本文具体公开的那些形式之外的其它形式，而不脱离本发明的精神或本质特征。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种激光增材制造(LAM)设备，包括：

a.激光器，用于提供沿着光束路径的功能激光束，所述功能激光束的波长小于约750nm；

b.构建台；

c.起始材料和起始材料输送设备，其中所述起始材料能够被输送到邻近所述构建台的目标区域；

d.激光束传输设备，包括光束成形光学器件，以形成激光束光斑；

e.电动机和定位设备，其机械地连接至所述构建台、所述激光束传输设备或两者；由此所述电动机和定位设备能够在所述激光束传输设备和所述构建台之间提供相对运动；

f.控制***，所述控制***包括处理器、存储装置和LAM计划，其中所述LAM计划在所述存储装置中，其中所述控制***能够通过所述功能激光束和所述起始材料的预定布局来实现所述LAM计划；以及，

g.其中所述激光器包括配置成提供n级拉曼振荡的泵浦激光二极管和拉曼振荡器，其中n是整数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中n选自由2、3、4、5和6组成的群组。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述n级拉曼振荡是斯托克斯振荡。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述n级拉曼振荡是反斯托克斯振荡。

5.根据权利要求1所述的设备，其中构建材料选自由以下组成的群组：镁、铝、镓、锡、铅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、钼、铑、钯、银、镉、钨、金、汞、金属、金属合金以及金属的混合物。

6.根据权利要求2所述的设备，其中构建材料选自由以下组成的群组：镁、铝、镓、锡、铅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、钼、铑、钯、银、镉、钨、金、汞、金属、金属合金以及金属的混合物。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述起始材料是粉末。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述起始材料是粒度小于约1μm的粉末。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述起始材料是粒度为约0.05μm至约2.5μm的粉末。

10.根据权利要求6所述的设备，其中所述起始材料是粒度为约0.05μm至约2.5μm的粉末。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述起始材料是粒度为约40μm或更小的粉末。

12.根据权利要求5所述的设备，其中所述起始材料是粒度小于约25μm的粉末。

13.根据权利要求5所述的设备，其中所述起始材料是粒度小于约15μm的粉末。

14.根据权利要求5所述的设备，其中所述起始材料是粒度小于约0.5μm的粉末。

15.一种用于激光增材制造的拉曼激光模块(RLM)，所述RLM包括：用于提供功能激光束的泵浦激光束源和拉曼振荡器；所述功能激光束具有小于约700nm的波长，小于2的M²以及大于500W的功率。

16.根据权利要求15所述的模块，其中所述拉曼振荡器包括光纤振荡器，所述光纤振荡器包括选自由二氧化硅、掺GeO₂二氧化硅、掺磷二氧化硅组成的群组的材料。

17.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源包括二极管激光器。

18.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源包括多个激光二极管，以产生具有小于约10mm-mrad的光束参数乘积的泵浦激光束。

19.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源包括至少20个蓝色激光二极管的阵列。

20.根据权利要求19所述的模块，其中所述阵列提供波长在约405nm至约460nm范围内的泵浦激光束。

21.根据权利要求15所述的模块，其中所述拉曼振荡器包括具有长度的振荡器光纤，并且所述长度为约30m或更小。

22.根据权利要求15所述的模块，其中所述拉曼振荡器包括具有长度的振荡器光纤，并且所述长度为约20m或更小。

23.根据权利要求16所述的模块，其中所述光纤振荡器具有长度，并且所述长度为约25m或更小。

24.根据权利要求16所述的模块，其中所述光纤振荡器具有长度，并且所述长度为约20m或更小。

25.根据权利要求15所述的模块，其中所述功能激光束的波长为约405nm至约470nm。

26.根据权利要求16所述的模块，其中所述功能激光束的波长为约405nm至约470nm。

27.根据权利要求20所述的模块，其中所述功能激光束的波长为约405nm至约470nm。

28.根据权利要求15所述的设备，其中所述泵浦激光束源包括蓝色激光二极管***，所述***提供波长为约405nm-475nm、功率大于100W的泵浦激光束；以及其中拉曼振荡器光纤的纤芯直径为约10μm-50μm并且是渐变折射率光纤。

29.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源被冷却，并且所述冷却选自由气冷式、液冷式和水冷式组成的群组。

30.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源包括光谱合束器。

31.一种***，其包括多个如权利要求15所述的RLM，其中来自所述RLM的激光束被相干地组合以形成单个功能激光束。

32.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源包括激光二极管和集成驱动电子器件，以控制电流并使所述泵浦激光束源二极管的快速脉冲能够提供脉冲调制的泵浦激光束。

33.根据权利要求32所述的模块，其中所述脉冲频率为约0.1MHz至约10MHz。

34.根据权利要求15所述的模块，其中所述拉曼振荡器包括晶体振荡器，所述晶体振荡器包括选自由金刚石、KGW、YVO₄和Ba(NO₃)₂组成的群组的材料。

35.根据权利要求15所述的模块，其中所述拉曼振荡器包括高压气体。

36.根据权利要求15所述的模块，其中所述泵浦激光束源包括多个激光二极管，以产生具有小于约14mm-mrad的光束参数乘积的泵浦激光束。

37.一种3D打印设备，包括：起始材料输送设备，其中起始材料能够被输送到邻近预定构建区域的目标区域；光束成形光学器件，以在所述构建区域提供横截面小于约100μm的功能激光束光斑；以及拉曼激光模块(RLM)。

38.根据权利要求37所述的3D打印设备，其中所述RLM包括：泵浦激光束源和拉曼振荡器；所述功能激光束具有小于约700nm的波长，小于2的M²以及大于500W的功率。

39.根据权利要求38所述的3D打印设备，其中所述拉曼振荡器包括光纤振荡器，所述光纤振荡器包括选自由二氧化硅、掺GeO₂二氧化硅、掺磷二氧化硅组成的群组的材料。

40.根据权利要求38所述的3D打印设备，其中所述泵浦激光束源包括至少20个蓝色激光二极管的阵列。

41.根据权利要求39所述的3D打印设备，其中所述阵列提供波长在约405nm至约460nm范围内的泵浦激光束。

42.根据权利要求38所述的3D打印设备，其中所述功能激光束的波长为约405nm至约470nm。

43.根据权利要求38所述的3D打印设备，其中所述功能激光束的波长为500nm至不到600nm。