光固化成形

激光器的组成
固体激光器 激光器
半导体激光器
液体激光器
气体激光器
增益介质
ห้องสมุดไป่ตู้
粒子反转分布 能源 产生激光
激 光 器
激励能源 光学谐振腔
固体激光器
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激 发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激 发 射 作 用 的 金 属 离 子 主 要 有 三 类 ： (1) 过 渡 金 属 离 子 （ 如 Cr3+ ）； (2) 大 多 数 镧 系金属离子 （ 如 Nd3+ 、 Sm2+ 、 Dy2+ 等）；(3)锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的 金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较 高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而 易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体 主要有：刚玉（ NaAlSi2O6 ）、钇铝石榴石（ Y3Al5 ， O12 ）、 钨 酸 钙 （ CaWO4 ） 、 氟 化 钙 （ CaF2 ） 等 ， 以 及 铝 酸 钇 （YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。 晶体两端镀膜构成谐振腔。


激光器技术

原子在正常分布状态下，总是稳定地处于低能级E1， 如无 外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦原子受到 外界光子的作用，赋予原子一定的能量E后，原子就从低 能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。

光受激后，其能量有下列关系：
激光器技术

处于高能级E2的原子在光子的诱发下，从高能级E2跃迁到低 能级E1而发光，这个过程叫做光的受激辐射。根据外光电效 应，只有光子的频率等于激发态原子的某一固有频率时，原 子的受激辐射才能产生，因此，受激辐射发出的光子与外来 光子具有相同的频率、传播方向和偏振状态。
光固化快速成型机结构
激光器 扫描器 立板 网板 沉块 刮板 反射镜 光路板
树脂槽
快速成型制造技术
激光器：提供光固化光源，波长355nm紫外光 扫描器：使激光实现X-Y方向扫描 聚焦镜：使激光在焦点处会聚 反射镜：光路调整 立板：固定Z向工作台，固定液位调整系统 网板：支撑快速成型制件 树脂槽：盛装液体光固化树脂 沉块：调整液位，保证XY方向扫描精度 刮平装置：真空吸附刮平装置，保证层厚度
半导体激光器
半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一 种效率高、体积小、重量轻、结构简单，但输出功率小的激 光器。其中有代表性的是砷化镓激光器。
半导体激光器 应用：可作为光泵浦，产生激光。
SLA成形系统扫描装置
激光束扫描装置有两种方式： （1）. 扫描器—Galvanometer（扫描振镜） 电流计驱动的扫描振镜方式，适合于制造各种尺寸的高精 度原型件，扫描速度快，但存在焦距误差现象。 （2）. X－Y绘图仪方式，精度高，扫描速度低，适合于制造 大尺寸的高精度原型件。

放置在发光物质两边的反射镜，其中之一为全反射镜， 另外一个为部分反射、部分透射的半反射镜；

激光器的分类： 根据工作物质的不同，分为气体、液体和固体激光器。
激光器技术
激光有四大特性： 高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

激光的高亮度
普通光源发出的光是连续的，并且在 4π立体角内传播，能 量十分分散，所以亮度不高，如太阳光的亮度值约为 2×103W/cm2· Sr ，而气体激光器的亮度值为 108W/cm2· Sr ，而固 体激光器的亮度更高达1011W/cm2· Sr。 不仅如此，激光光束经过聚焦，光斑温度可以高达万度。
气体激光器
气体激光器的工作物质是气体。其特点是小巧，能连续 工作，单色性好，但是输出功率不及固体激光器。目前已经 开发了各种气体原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。 常用的有CO2激光器、氦氖激光器和CO激光器。 氦氖激光器 应用：检测， CO2激光器，应用于焊接、切割， 快速成型
半导体激光器

激光的高方向性
激光的高方向性主要是指其光束的发散角小，紫外激光发散 角为0.5毫弧度。
激光器技术
激光具有高平行度，其发散角小，一般约为 0.18°，比普
通光微波小2～3个数量级。激光光束在几公里之外的扩散范围 不到几厘米，因此，立体角极小；由于它的能量高度集中，比
同能量级的普通光源高几百万倍。
激光器技术
E1 受激吸收 受激辐射
E1 受激光放大
E1
图 经过受激辐射光被放大的示意图
激励（泵浦）示意图
激光器技术（结构）

为了使受激辐射的光强足够大，通常设计一个光学谐振腔。 原子发出的光在光学谐振腔里产生雪崩似的放大，从而形 成了强大的受激辐射光，该辐射光被称为激光。
工作物质 激光束
全反射镜 半反半透射镜
激光器技术

在外来光子的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子 在某高能级的数目就多于低能级的数目，相对于原子正常 分布状态来说，称之为粒子数反转。当激光器内工作物质 中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种 工作物质中传播时，会变得愈来愈强。
增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质。

SLA成形原理
3 、 激光束对新一层树 脂进行扫描固化，使新 固化的一层牢固地粘合 在前一固化层上。
4、重复 2 步和 3步，至整个 零件原型制造完毕。
最后升降台升出液体 树脂表面，即可取出工件， 进行清洗、后固化以及表 面光洁处理。
SLA成形系统的组成及各部分的作用
SLA 成形系统由激光器、 扫描器、光敏树脂、液槽、 升降台、树脂涂敷装置和 控制软件组成。
SLA成形原理
1、利用计算机控制下的紫 外激光，按预定零件各分 层截面的轮廓，进行填充 扫描，轮廓扫描，使被扫 描区的光敏树脂薄层产生 光聚合反应，从而形成零 件的一个薄层截面； 2 、当一层固化完毕，移 动升降台，通过真空吸附 式刮平系统，对大平面补 充树脂，并刮平装置刮去 多余的树脂。在原先固化 的树脂表面上再涂敷上一 层新的液态树脂。
光学谐振腔示意图
激光器技术（原理）

激光发生原理
一个原子吸收能量之后，从低能态到高能态的过程称为激 发过程。反之，处于激发状态的原子是不稳定的，总是自发地 回到低能态，同时有光子发出，这一过程叫“自发辐射”。如 果原子吸收外界光能而跃迁到高能级，而受外界光感应产生辐 射又回到低能态，这一过程叫“受激发射”。
光固化快速成型计算机
SPS 光固化快速成型系统采用两台计算机，一台用作分 层和加支撑，通过网络与 CAD 工作站直接连接，接收 CAD 系统设计的STL文件。一台用作系统控制，分层数据文件和 支撑文件通过并行接口传输给控制计算机。
SPS光固化快速成型系统的中央控制部件采用工业控制 计算机，制作时，实时生成扫描矢量及各种控制指令，并通 过相应的接口电路控制各个子系统。计算机通过 3 通道 16 位 数模转换器控制振镜扫描系统，控制网板升降运动，刮平系 统运动等；激光功率和树脂温度等模拟量通过数模转换电路 馈入计算机；通过 I/O 接口板把驱动脉冲送至步进电机驱动 电源，成型机的各种光电开关信号也通过 I/O 板馈入计算机。
SLA成形系统的激光器
1、SLA用激光器有两种类型：

氦 － 镉 （ He － Cd ）激光器 ，输出功率 15 ～ 50mW （毫 瓦），属于低能量激光，输出波长 325nm ，激光器寿命 2000h。 固体激光器，激光物质YVO4，输出功率100～1000mW， 属于高能量激光，输出波长354.7nm，激光器寿命5000h以 上，寿命主要决定于泵浦源。 聚焦后激光光斑直径一般为 0.05 ～ 0.30m ，激光位置精度 可达0.008mm，重复精度可达0.005mm。
半导体激光器又称激光二极管 [1](LD) 。进入八十年代， 人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用MBE（分子束 外延）或者CVD（化学气相沉积）方法来制备的量子阱(QW) 和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，和折射率调制Bragg发 射 器 以 及 增 强 调 制 Bragg 发 射 器 最 新 技 术 ， 同 时 还 发 展 了 MBE、 MOCVD 及 CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外 延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精 度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出 的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功 率成倍增长，使用寿命也明显加长。
气体激光器
这类激光器采用的气体工作物质，是所使用的工作物质中 数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广的 一类激光器。气体激光器所采用的工作物质，可以是原子气体、 分子气体和电离化离子气体，为此，把它们相应的称为原子气 体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。在原子气体激 光器中，产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气 体主要是几种惰性气体（如氦、氖、氩、氪、氙等），有时也 可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞等）蒸汽，或其 他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是氦一氖气体 激光器。在分子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的 气体分子，所采用的主要分子气体工作物质有 CO2、CO、N2、 H2 、 HF 和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳 （CO2）激光器、氮分子（ N2）激光器。离子气体激光器，是 利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的有惰性气体离子 和金属蒸汽离子，这方面的代表型器件是氩离子（Ar+）激光器、 氪离子（Kr+）激光器以及氦一镉离子激光器等。

激光的单色性
激光的频率宽度很窄，比普通光频宽度的十分之一还小， 因此，激光是最好的单色光。激光测长主要就是利用激光的 高单色性。

激光的相干性
两束光在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰 的干涉图样或能收到稳定的拍频信号。
激光器技术
时间相干 是指同一光源在相干时间t内的不同时刻发出的光，经过不 同路程相遇而产生的干涉。 空间相干 是指同一时间由空间不同点发出的光的相干性。 由于激光的传播方向、振动态、频率、相位完全一致，因 此激光具有优良的时间相干性和空间相干性
固体激光器
固体激光器的增益介质是固态物质。尽管其种类很多， 但其结构大致是相同的，特点是体积小而坚固，功率大。目 前输出功率可达几千兆瓦。常用的固体激光器有红宝石激光 器、掺钕的钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器。 红宝石激光器 应用：焊接、切割
液体染料激光器
使用 Ar 离子激光， KTP－ YAG 激光或紫外激光泵浦含有 染料的有机溶液，激励染料，并使该染料的谱线在谐振腔内振 荡放大而输出波长连续可调的激光。染料不同可调波长范围不 同，如果再进行倍频，则可获得紫外光，从而得到紫外到近红 外的波长。液体激光器输出激光的工作物质是液体。其最大的 特点是它发出的激光波长可在一波段内连续可调，连续工作， 而不降低效率。液体激光器可分为有机液体激光器，无机液体 激光器以及鳌合物激光器等。 液体染料激光器 应用：物质分析，光化 反应，激光演示，科学 研究及光动力学治疗等
概述
液 态 光 敏 聚 合 物 选 择 性 固 化 （ Stereo Lithography Apparatus ，简称 SLA ），又称立体平板印刷技术，或称光 固化立体造型，是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应 用最广泛的一种快速成形方法。在国际市场上占的份额最大， 约为60％左右。
快速成型制造技术
但是，只有采用一种办法使物质中大量粒子同时处于激发 态，并通过外界光感应，使所有处于激发态的粒子几乎同步完 成受激辐射回到低能态，这时物质才能发出一束强大的光束来， 称为“激光”。
激光器技术（结构）

激光工作物质： 即发光物质，可以是气体、液体和固体；

泵浦源：
能量源，产生激励作用，有电泵浦源、光泵浦源等； 谐振腔：
SLA成形系统扫描器
振镜是一种矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机， 基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不 同，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩， 大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定 的电流时，转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回 复力矩大小相等，故不能象普通电机一样旋转，只能偏转， 偏转角与电流成正比，与电流计一样，故振镜又叫电流计 扫描器（ galvanometric scanner ），反射镜安装在转轴出 端，由转子带动偏转。
激励能源：使原子从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反 转分布的外界能量。
激光器技术

一个外来光子激发原子产生另一个同性质的光子，这就是 说一个光子放大为 N1 个光子， N1 个光子将诱发出 N2 光子 （ N2>N1 ） …… 在原子受激辐射过程中，光被加强了，这 个过程就被称为光放大。
E2 E2－E1 E2－E1 E2 入射波 E2 出射波