This article considers laser-based 3D printing, or additive manufacturing, looking at different types of lasers in the fabrication process.
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基于激光的3D打印
与同行，减法制造相比，最近十年的增材制造业（AM）或3D打印都有巨大的发展。AM可以快速原型制作，易于定制，复杂零件的复制，浪费最小化，高能源效率，库存减少，零件和产品灵活性以及可靠性。仅限原型制作的主要问题是其高生产成本和随着印刷速度的提高而精确的降低。
然而，直接能量沉积类型AMS更适合精确制造，因为它更容易调节能量流而不是材料流。自3D打印概念的出现以来，基于激光的直接能量沉积类型AM由于激光器提供的精确度比其他AM过程（例如热材料挤出/保险丝沉积建模，粘合剂喷射，液体材料喷射和板岩层压。
激光最常用于增值税光聚合，直接激光写入（DLR），选择性激光熔融（SLM）和选择性激光烧结（SLS）/粉末床融合AM过程。
什么是飞秒激光器？
飞秒（FS）激光器是一类超快/超短脉冲激光器，其中激光脉冲的持续时间与几个FS不同（10-15s）到数百个fs。通过模式锁定，即固定谐振腔的纵向模式之间的相位关系，获得了这种短时脉冲。
什么是模式锁定激光器？
所有激光器都有一系列频率或带宽，而不是单个波长或频率。激光器的操作带宽取决于光学共振腔（ORC）的增益介质和纵向模式的性质。
进入脉冲激光器的基本结构，将增益介质夹在两个平行镜之间，称为兽人。一束光束在这两个镜子之间弹跳，并反复通过增益介质。光束在增益介质内部的特定点上干扰自身，无论是建设性的（即放大）还是基于相位差异（即取消）。
建设性干扰会导致站立波或模式的形成。这些站立波可以隔离为离散的频率范围，称为兽人的纵向模式。这些激发/谐振的纵向模式是高强度激光束的核心带宽。
此外，一个兽人可以具有多个纵向模式，其中一种或多种模式可以激发。钛（TI）掺杂的蓝宝石（TI：SAPPHIRE）激光具有128 THZ带宽，可支撑高达〜250,000个纵向模式。如果可以固定大量激发纵向模式之间的相位差来引起建设性干扰或共振，则它将产生短持续激光脉冲。模式锁定的带宽越宽，激光的脉冲持续时间越短。此外，脉冲持续时间还取决于脉冲的形状。
There are two types of mode-locking, i.e., active and passive. In active mode-locking, an external modulator is placed inside the ORC that produces a signal that facilitates phase mode-locking. Meanwhile, in the case of passive mode-locking, no external signal is used, rather a saturable absorber is placed inside the ORC that selectively absorbs the low-intensity lights and transmits high-intensity lights.
Ultrafast/Ultrashort Pulse Laser Vs Continuous Wave Laser
When the electrons of material are excited above the bandgap, they quickly relax after radiating the excess energy, which is a potential loss.
放松之前的激发持续时间从几纳米秒（NS）到几微秒（µs）。在FS激光器的情况下，脉冲持续时间和间隔之间的间隔非常短，以至于激发电子没有足够的时间放松，这导致热量积累。因此，FS激光器可以达到高达6000℃的温度，足以融化高熔点材料，例如钨（熔点= 3422℃）和陶瓷。亚博网站下载
Moreover, the peak intensity of the fs laser is almost equal to its average intensity; this leads to high penetration depth, less thermal diffusion, and faster fabrication speed. Meanwhile, continuous wave (CW) lasers have a broader intensity distribution and more thermal diffusion. This leads to undesirably larger thermal penetration and the formation of heat-affected zones (HAZs). Due to large grain size variation and the presence of microcracks, HAZs are sensitive to mechanical failures. Hence, they often require post-process thermal treatments.
最新研究
An Fs pulse laser can be used for surface texturing. It was used to create periodic structures on black silicon with nano- and microsize features. The surfaces of solar panels can be altered by femtosecond lasers to increase solar cell efficiency.
此外，ti：蓝宝石FS激光已用于研究锡表面（SN）表面的纳米结构的形成，以及硅的键强度和结构修饰，TIO2，，，，and graphene. It was also used for tuning the hydrophobicity of polydimethylsiloxane (PDMS) surfaces, and nanograting and micromachining of very small optical fibers. It is useful in 3D photonic circuit fabrication as it is capable of permanently altering the refractive index of circuits buried beneath the surface of transparent glasses and polymers.
结论
FS激光器为金属，玻璃，聚合物，陶瓷等的高精度3D打印铺平了道路。此外，它们处理高熔点材料的能力也是一项巨大的成就。亚博网站下载高能效率，减少后处理处理，高深度的渗透率以及更快的处理速度，使FS激光器成为3D打印的理想能量来源。
参考和进一步阅读
Kaligar, A.B., Kumar, H.A., Ali, A., Abuzaid, W., Egilmez, M., Alkhader, M., Abed, F., Alnaser, A.S. Femtosecond Laser-Based Additive Manufacturing: Current Status and Perspectives.Quantum Beam Sci.2022，，，，6，5。https://www.mdpi.com/2412-382x/6/1/5
3dprint.com。（2021年10月19日）。飞秒激光器用于增材制造。3dprint.com |3D打印 /添加剂制造的声音。https://3dprint.com/185885/femtolasers-in-addive-mfg/
Paschotta, R. (2021, July 27).飞秒激光器。2022 RP Photonics Consulting GmbH。https://www.rp-photonics.com/femtosecond_lasers.html#:%7E:text=A%20femtosecond%20laser%20is%20a,which%20also%20include%20picosecond%20lasers）
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