文/深圳市宝辰鑫激光科技有限公司

金属3D打印技术是一种革命性的制造技术，其发展得到了广泛关注。随着材料科学和计算机技术的进步，金属3D打印技术已经从传统的快速成型和原型制作应用，发展成为可以生产高强度、高性能金属零件的成熟技术。如图1所示，3D打印技术在医疗、航空航天、精密模具等领域有举足轻重的作用。

激光器是实现金属3D打印的关键部件，高精密金属材料打印对激光器提出了新的需求，不仅要求激光器具有紧凑、高光束质量、高可靠性的特点，若能实现实时激光功率监控以及实时激光功率补偿功能，将能更好地保证激光功率长时间输出的稳定性，从而保障工件的打印质量，这对于推动数字化、智能化制造有着极为重要的作用。

图1：3D打印应用领域。

针对应用于3D打印激光器输出稳定性的痛点，本文基于宝辰鑫自主研发的3D打印专用水冷连续激光器，通过对光源控制模块的设计与优化，对激光功率进行实时监控并补偿，最终实现了高稳定性、高线性度的功率输出。

系统设计

（1）激光器光路

激光器的光路系统如图2所示，红光激光器起指示作用，两个915nm半导体LD泵源通过（2+1）×1合束器注入激光谐振腔。谐振腔由一对工作在1080nm的高反光纤光栅（HR）和低反光纤光栅（LR）组成，通过优化光纤光栅的反射率和3dB光谱带宽，保证激光在其中持续振荡并选模。

有源光纤扮演增益介质的角色，将输入的半导体泵源信号转换成中心波长为1080nm的激光，并在振荡中进行放大。有源光纤采用双包层技术，可提高泵浦光的吸收效率，使得光纤激光器能够降低整机功耗。

为防止高功率激光输出下光束质量的劣化，利用小芯径光纤导入以及熔接技术保持基模传输，同时凭借剥模器对高阶模进行滤除，并最终输出（QBH）。

图2：激光器工作原理简图。

（2）光源控制模块

激光器光源控制如图3所示，其中主控制采用并行的高速逻辑处理芯片，能够达到ns级的控制响应速度。输入输出接口则采用高速的数字量和模拟量隔离光耦，由此保证激光器控制的高速与一致性。同时配合高精度电流控制模块，保证光源供电的稳定性，从而实现输出激光功率的高稳定性。

不仅如此，得益于完善的控制IO，包括互锁信号、急停信号、外部IO使能信号、调制信号以及功率模拟量信号，实现对激光器的精确控制。其中对关键输入信号的反馈输出，可分别从温度、电流、水流量和光信号等方面，全方位保障激光器故障自动化检测机制的正常运行。

图3：光源控制框图。

（3）外观设计

图4所示为激光器最终外观图，激光器整个尺寸是标准的1U机箱，体积相对于传统的单模连续光纤激光器，优化了接近2/3，在成本与重量方面实现小型化，操作便捷，整体免维护，可直接集成至用户设备。

得益于高效的水冷系统，通过对热源的精准计算，仿真模拟水冷系统散热能力以实现高功率、高效率散热，满足激光器长时间的工作需求。

图4：激光器外观图。

实验结果及分析

（1）输出功率线性度

对激光器进行功率校准，其输出功率的变化如图5所示，从10%-100%满功率调节的范围来看，激光器输出功率具有达到1%的极佳功率线性度。

图5：功率输出变化图。

（2）出光延时

延时信号的探测结果如图6所示，从监测到开光信号到激光输出，探测到最小延时可低至5~6μs，是传统激光器开启时间的1/10，有效提高了实际加工效率及一致性。

图6：延时信号。

（3）其他输出特性

通过优化激光器光学设计，改进冷却系统，实现了激光器的高稳定性、高光束质量输出，具体特性如下：

● 激光输出功率包括300W/500W/1000W，调节范围5%-100%，短时功率稳定性在±1%@24h，长时功率稳定性在±1.5%，确保打印过程中的熔化和固化可靠性、高质量。

 ● 光束质量因子M²≤1.1@14UM以及M²≤1.2@20UM。

 ● 电光转换最高可达40%，降低能源消耗，效率提升。

 ● 中心波长1080±10nm，光谱带宽（3dB）为3~5nm。

 ● 焦点可调范围±4mm，适用不同焦距需求。

 ● 工作模式可以连续或者调制频率（20kHz）进行输出。

结语

基于宝辰鑫自主研发的3D打印专用水冷连续激光器，通过对光源控制模块的设计与优化，对激光功率进行实时监控并补偿，最终实现了高稳定性、高线性度的功率输出，确保3D打印过程中的熔化和固化的可靠性和高质量；同时，从监测到开光信号到激光输出，探测到5~6μs的最小延时，可有效提高3D实际加工的效率和一致性。