激光（laser）是“透过受激辐射产生的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写，指透过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的增强光子束。相较于其他类型的光，激光具有发散度小、亮度高、单色性好、相干性好等一系列特点，增材制造中的激光器基础知识对于理解基于激光的增材制造对行业增长的影响至关重要。Medtec China多年来一直助力医械精密制造技术及市场，因素速递本文对基于激光的增材制造中使用的各种类型的激光器进行了全面的介绍，对其工作原理、光学配置以及各自优势和局限性进行了比较分析，是从业人员的必读文章。
激光器通常由增益介质、泵浦能量源和光学谐振器组成。放置在光谐振器内部的增益介质使用泵浦源提供的外部能量通过受激辐射来放大光束。激光器通常按使用的增益介质分类可分为固体激光器、气体激光器、准分子激光器、染料激光器、光纤或半导体激光器。增材制造中使用的最具代表性激光器包括气体激光器、固体激光器和光纤激光器，如图1所示。这些激光器通常用于增材制造和许多其他精密制造应用。
CO2激光器是最早的气体激光器之一，于1964年开发。CO2激光器由放电管、泵浦源和若干光学器件组成，在CO2激光器中，气态增益介质CO2充满放电管并通过直流或交流电进行电泵浦，引起粒子数反转，从而产生激光。CO2激光器可以产生波长为9.0~11.0μm的红外光，其中10.6μm是增材制造中使用最广泛的波长。对于红外波长范围激光的传导，光学部件需要使用特殊材料，反射镜通常为镀银或镀金，窗口和透镜使用锗或硒化锌。与其他连续波长激光器相比，CO2激光器具有高效率(5%~20%)和高输出功率(0.1~20kW)的特点，因此广泛用于材料加工，例如切割、钻孔、焊接和表面改性。CO2激光器一般由两个反射镜和之间的电动抽气管组成，其中反射镜包括一端的高反射率镜和另一端的部分反射镜(输出耦合镜)。此外，还包括用于电极冷却的散热装置，以实现超过千瓦级别的高功率运行。系统的简单性带来了低成本、高可靠性和系统紧凑性，这使得CO2激光器成为精密制造的主力军。然而，由于在能量泵送至大量CO2气体的过程中产生热量，激光结构的热膨胀和收缩导致输出功率相对不稳定，气体辅助热扩散过程中的气体湍流也可能引起不稳定性。在高功率操作中，应每2000h检查一次整体光学器件的疲劳度。在金属零件的制造中，由于金属对红外线区域光吸收系数较低，CO2激光器的工作效率受到限制。此外，由于缺少在红外波长范围内传输的光纤，CO2激光器需要使用光学器件进行空间光束传输，因此，为了更广泛的材料加工或利用能够基于光纤的光束传输，必须考虑其他类型的激光器。
Nd∶YAG激光器是一种使用棒状Nd∶YAG晶体作为固体增益介质的激光器。Nd∶YAG激光器和CO2激光器是业界最常用的两种高功率激光器。在Nd∶YAG激光器中，增益介质由闪光灯沿径向方向进行光泵浦，或由808nm激光二极管沿轴向泵浦，以产生1064nm的近红外(NIR)输出波长。
在此工作波长下，光束可以通过柔性光纤传输，在系统紧凑性和高传输效率方面是较CO2激光器的显著优势之一。Nd∶YAG激光器在连续模式(掺有低浓度的晶体)和脉冲模式下(掺有高浓度的晶体)都可以工作。连续模式下的输出功率高达几千瓦，而脉冲模式下的峰值功率则高达20kW(脉冲能量高达120J)。
传统的Nd∶YAG激光器通常由氙气闪光灯进行光泵浦，电光功率转换效率相对较低。低功率效率会导致光束质量低下，因为大部分未吸收的能量都以热量的形式散发，光学元件的加热会引起热透镜效应和双折射效应，从而导致光束质量差。闪光灯短寿命可以通过使用二极管激光器代替泵浦光源(二极管泵浦固态(DPSS)激光器)来克服。由于激光二极管具有更高的电光功率转换效率以及增益介质的选择性激发，与灯泵浦激光器相比，该种激光器的整体功率效率可提高约5倍。在增材制造中，Nd∶YAG激光器已被更紧凑，更高效的镱(Yb)掺杂光纤激光器取代。但是，Nd∶YAG激光器的普遍性和易用性仍然使它们在参数研究工作中大量使用。
光纤激光器是指其光纤增益介质掺有稀土的激光器。在光纤激光器的首次开发的几年中，与固体激光器相比，光纤激光器在输出功率和脉冲能量方面性能有限。然而，由于光纤激光器在过去几十年中的不断发展，已成为最有希望替代传统固体激光器的光源。在各种稀土掺杂增益光纤中，Yb掺杂光纤由于其量子效率高(高达94%)，有利于高功率激光产生。
因此，光纤激光器广泛用于材料加工并已在增材制造中替代了Nd∶YAG激光器。光纤激光器由在950~980nm波长范围激光二极管泵浦，产生1030~1070nm的输出波长的近红外激光束。基于光纤的增益介质和光学组件的特性，带来了包括高电光效率(~25%)、高光束质量、抗干扰性强以及系统紧凑性好等优点。然而Yb光纤激光器也存在由于光在光纤内部传播而产生一些限制。对于固体激光器，光在空气中传播，空气作为光导介质的影响较小。相反，当光通过光纤传播时，激光受到引导介质即光纤的强烈影响，特别是在其非线性特性上，高峰值功率引起的光学非线性效应(例如自聚焦、自相位调制、克尔透镜效应和拉曼效应)会限制激光器的性能。光纤弯曲、振动和温度变化会导致偏振变化，为了获得更高的环境稳定性，需要使用偏振保持(PM)光纤作为增益和光导介质。
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准分子激光器使用“准分子”作为增益介质，并通过脉冲放电泵浦以在紫外(UV)区域产生纳秒级脉冲。准分子是激发二聚体的简称，是包含稀有气体(例如氩气或氙气等)、卤素(例如氟气或氯气等)和缓冲气体(通常是氖气或氦气)的气体混合物。在工作波长范围为157~351nm(取决于气体混合物)的各种准分子激光器中，ArF、KrF和XeCl激光器(分别产生193、248和308nm波长光束)是制造中应用最多的准分子激光器。准分子激光器还包括泵浦源、增益介质和光学谐振器。
增益介质以与其他气体激光器(例如CO2)相同的方式被电流泵浦。准分子激光器只能在脉冲模式下运行，产生的脉冲重复频率仅为几kHz，平均输出功率在几瓦到几百瓦之间。紫外线脉冲激光的产生在制造应用中非常重要，因为大多数光学材料在紫外波长区域具有高吸收率。然而，由于光束质量相对较差，维护以及运行成本较高使得准分子激光器在增材制造中应用较少。
由于不同的材料与不同的激光波长之间的相互作用，激光的工作波长是增材制造中要考虑的最重要的参数。表1列出了在Nd∶YAG和CO2激光器的工作波长下各种松散粉末状态材料的吸收率。
在基于激光的增材制造中，目标材料应该有效地与入射激光相互作用，因此，期望在特定激光波长下的高材料吸收以达到较高的生产效率。对于金属粉末，激光的波长越短，其光吸收率越好。因此，在金属打印过程中，工作波长为1064nm的Nd∶YAG或Yb光纤激光器比工作波长为10.6μm的CO2激光器具有更高的效率。相反，聚合物材料作为增材制造中使用的最重要的材料之一，其在10.6μm处的吸收率比在1064nm高得多，如图6所示。这正是聚合物广泛使用CO2激光器的原因。
工作波长也与聚焦性有关，而聚焦性决定了最终的制造分辨率。由于光学衍射极限，最小聚焦光斑尺寸与波长成正比，因此CO2激光器不适合微/纳米尺度的制造。
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激光是将能量传递给打印材料的能源之一，因此，定义为单位面积激光功率的功率密度即强度与工艺产量密切相关。首先，激光强度必须超过一定的能量阈值以使目标材料达到原位固化、烧结或熔化所需的条件。对于粉末或线材形式的材料，该条件与烧结温度或熔点有关，而对于光聚合物树脂材料来说，强度与其固化或聚合有关。与大多数烧结或熔化温度相对较低的聚合物高分子材料不同，陶瓷等一些材料具有极高的熔点(如二硼化锆，熔点3245°C)，因此需要极高强度的激光。此外，具有高反射率或高热扩散率的材料如铝或铜等，也需要高强度激光来克服温度升高过慢的问题，若激光强度高于制造阈值，采用更高强度的激光也可以提高成形构建速率。
可以看出，通过采用更高功率的激光可以增加成形速率，但是在高成形速率下制造的特征质量将会降低。因此，应综合考虑成形速率和特征质量，在满足材料成形的阈值能量基础上选择光束功率。激光束的聚焦强度不仅与平均功率成比例关系，还与最终由工作波长所决定的聚焦光斑尺寸成比例。虽然CO2激光器和Yb光纤激光器具有相同的平均功率，但是Yb光纤激光器的强度可能比CO2激光器高数百倍，这是由于聚焦光斑强度与激光波长的平方成反比，Yb光纤激光器的波长更短、光束质量更高，所以Yb光纤激光器的激光束聚焦光斑可以比CO2激光器小得多。
激光工作模式在时域上可分为连续模式或脉冲模式。在连续模式下，输出功率保持恒定且与时间无关;而在脉冲模式下，激光器仅在短脉冲持续时间内以固定的重复率发射输出功率。除只能在脉冲模式下工作的准分子激光器外，大多数激光器可以在两种模式下工作。脉冲模式可以通过调Q、锁模或脉冲泵浦实现，脉冲模式可以产生比连续模式更高的峰值功率。脉冲持续时间为几纳秒的Nd∶YAG激光器可产生峰值功率为数百毫瓦的脉冲，可在毫秒的曝光时间内熔化大多数目标材料。具有高峰值功率的激光脉冲可以瞬间提高材料的温度，同时向周围材料的热能传递耗散很小，这使得更容易达到加工所需的阈值能量。相反，在连续波模式中，激光以相同的平均功率扩散到周围的材料，使得难以达到阈值能量。
在SLM工艺过程中，被激光束照射的材料应在短时间内充分加热，因此在脉冲持续时间内需要高脉冲能量来熔化金属粉末。一般地，对于从连续波到几十皮秒脉冲持续时间的激光，其与材料的相互作用可以通过热扩散来解释，并且其阈值和脉冲的时域宽度的平方根成比例关系。
光束质量和聚焦光斑大小是空间域中的激光参数，为了提高制造精度，必须将这些参数考虑在内。在增材制造中，通常以“光束参数乘积(BPP)”定义光束质量。它是光束在空间域中的宽度(光腰束宽)和在空间频率域中的角谱宽度(远场发散角)的乘积(mm·mrad)。BPP与功率密度密切相关，并影响制造分辨率，该因素取决于增益介质、泵浦源、谐振器结构和工作波长。特别是工作波长决定了BPP的下限，即λ/π，定义为衍射极限，例如，1064nm的Nd∶YAG激光束的最小BPP约为0.339mm·mrad。理想情况下，当光束轮廓是完美的高斯形状时，可以获得最小BPP。
M2因子(光束质量因子)也是定义光束质量的一种更为简单的方式，其与波长因素无关M2因子定义为BPP除以λ/π，若为理想的高斯光束，则M2因子为1。
尽管CO2激光器的衍射极限比Nd∶YAG激光器高10倍之多,但其BPP值为3~5mm·mrad，与二极管泵浦的Nd∶YAG激光器相似。值得注意的是，由于更为简单的光学结构和稳定的电泵浦方法，CO2激光器具有相对较低的BPP值且其M2因子接近为1。Yb光纤激光器的光束最接近高斯光束，其优良光束质量可以归因于其基于光纤的传播方式;当激光束通过光纤传播时，由于光纤有限的模场直径，高阶空间模得以滤除，只有单一或有限数量的空间模保留在其内部。相比之下，准分子激光器由于其高阶空间模式和高光束发散角，光束质量相对较差，此外，它的输出光束形状为矩形且在X轴和Y轴上具有不对称的发散角。
目前，基于激光的最具代表性增材制造工艺包括立体光刻技术(SLA)、激光选区烧结技术(SLS)、激光选区熔化技术(SLM)和激光熔覆技术(LENS)。根据美国材料实验协会(ASTM)“ASTMF42–增材制造”的分类定义，SLA归类为光聚合工艺;SLS和SLM归类为粉床工艺;LENS归类为有向能量沉积工艺。这些工艺利用不同类型的激光和材料沉积方法来实现逐层制造。
SLA是最早的增材制造方法之一，首先由美国人ChuckHull于1984年申请专利。SLA是一种通过将紫外(UV)激光聚焦在光敏聚合物树脂槽上而进行选择性光聚合的工艺。激光束在要固化的树脂层上绘制出轮廓，之后下降一层的距离，再将下一层未固化的树脂在前一层的顶部固化，重复此过程，直到获得所需的三维结构或部件为止。紫外光是许多光化学及光聚合过程中的重要波长，SLA工艺中的聚合反应一般为基于自由基或阳离子，在自由基聚合中，光引发剂吸收入射的光子，然后产生自由基，自由基开始聚合反应。因此，为了获得更高的效率，激光源的工作波长必须与光引发剂的高吸收波长范围相匹配，通常在紫外波长范围内。早期SLA工艺所用商业化的树脂主要是丙烯酸基，目前使用的新型树脂主要是基于环氧树脂，因为基于环氧树脂的树脂材料具有更好的机械性能和较小的收缩率。商业SLA系统利用掺钕钒酸钇(Nd∶YVO4)二极管泵浦中心波长为1064nm的固态激光器，然后通过3次谐波过程，将其波长转换为355nm。
为了固化光敏树脂，临界激光强度(Ec)必须高于某个阈值。常用光敏树脂的Ec值介于4.3~7.6mJ/cm2之间。当高斯激光作为光源时，树脂的固化线类似于抛物线形状，如果扫描速度增加或光斑尺寸减小，则层厚度通常会减小。扫描速度增加或光斑尺寸增大会严重影响Ec，进而影响树脂的聚合。
大多数SLA工艺3D打印机使用的是紫外波段范围内的激光器，但有时也会使用紫外范围以外的其他波长。采用红外激光作为能源的SLA技术称为红外(IR)SLA，IRSLA利用热引发的过程代替了通常的紫外激光引发的聚合过程，通常以CO2激光为热敏树脂提供热能。
微立体光刻法(μSL)是另一种从传统的SLA工艺衍生而来的技术，用于生产具有微米分辨率的小型复杂模型。μSL与传统光固化增材制造工艺类似，均为施加能量源以光固化光敏聚合物，但μSL通常采用较小的光斑尺寸，并且需要精确控制照射到树脂上的激光能量，使其接近聚合所需的临界能量。可使用高吸收性反应介质和中性吸收剂，从而有助于形成更薄的聚合层以获得更好的横向分辨率。
SLS是由CarlR.Deckard于1980年代中期开发并获得专利的一种增材制造工艺。通过在顶部上堆叠多层烧结的粉末，可以构造复杂的零件和结构。该工艺使用高功率激光器以提供粉末烧结所需的热能。采用光束偏转系统将激光束聚焦到所需位置，然后将新的粉末层沉积在已烧结材料的顶部，并重复该过程，直到获得所需的三维零件为止。当温度升高到金属的熔点或聚合物的软化点以上时，粉末颗粒之间就会发生烧结。在某些情况下，添加黏合剂(通常在金属SLS中采用)作为牺牲材料，以改善具有高硬度材料的烧结工艺。为了烧结更大尺寸的粉末颗粒，具有低熔融温度的黏合剂材料会熔化并流入由非熔融颗粒形成的小孔中。
根据材料的类型，SLS工艺通常使用CO2和Yb光纤激光器。大多数SLS机器通常使用平均功率几十到几百瓦的CO2激光器，因为聚合物在此工作波长下具有高吸收率，Heo的研究表明CO2激光器还可以用于氧化物陶瓷和复合材料的烧结。然而，金属粉末的激光烧结需要Nd∶YAG激光器或更常见的Yb光纤激光器，它们能产生波长为1064nm的激光束，该波长更接近于金属粉末的高吸收率范围。这种基于金属的SLS工艺也称为直接金属激光烧结(DMLS)，以区别于基于聚合物的选区烧结工艺。除金属粉外，Nd∶YAG和Yb光纤激光器还可用于烧结硬质陶瓷。波长等许多激光参数也会影响SLS打印零件的机械性能和几何形状，其中激光功率和扫描速度是影响烧结过程的主要参数。这两个因素决定了粉末吸收的总能量密度，进而影响了烧结零件的质量。当吸收的能量密度太低时，烧结可能不完全，所得的烧结部件将很脆弱，难以处理，但当吸收的能量密度太高时，烧结的零件将被过量的激光能量损坏，或者零件内部会发生不均匀的熔化，从而在零件打印过程中产生不均匀性，超过材料分解能的激光能量甚至可能导致材料汽化。最佳处理参数随SLS中使用的目标材料的类型而变化，能量密度不同所导致的材料烧结效率变化可以通过工艺图来表示。
不锈钢–铜合金在CO2和Nd∶YAG激光器的波长下具有不同的能量吸收率，因此需要不同的工艺参数。与使用CO2激光器的情况相比，使用Nd∶YAG激光器，不锈钢–铜合金具有更大的可激光烧结加工区域，并且随着能量密度的增加，烧结材料的层厚度通常会增加。
SLM是将激光束入射到金属粉床上以制造三维零件的过程，与SLS相似，激光加工和粉末铺设的重复过程将目标逐层构建为所需的几何形状。在SLM中，相对较高功率的激光完全熔化了金属粉末的每一层，而不是烧结粉末。SLS中使用的材料包括各种聚合物以及金属，但SLM仅使用某些金属，如钢、钛、铝和合金。与SLS工艺类似，SLM工艺通过使用扫描振镜将激光束定向到指定位置，SLM和SLS之间的主要区别在于颗粒之间的结合过程，SLM过程主要是粉末颗粒的完全熔化和固化，从而改善了微结构和机械性能，但同时将材料从固体转变为液体时会存在不稳定性，冷却凝固时亦然。激光参数(例如波长、重复率、脉冲持续时间和脉冲能量)会极大地影响熔化和凝固过程，因此对打印零部件的性能产生很大影响。需要根据金属粉末的特性(例如粒径，形状和吸收率)来优化激光参数，以实现良好的粉末结合稳定性和零件孔隙率。金属粉末材料吸收率对试验条件非常敏感。
利用波长为1.06μm的Nd∶YAG激光器进行了功率密度为100W/cm2和250W/cm2两种强度下的测试，由于粉末热物理性质的急剧变化，吸收率迅速提高。在100W/cm2的温度下，通过表面熔化烧结粉末，并在加工过程中重新排列颗粒，因此吸收率在热平衡点达到饱和。同时，在250W/cm2的情况下，长时间加热会引起颗粒的明显熔化，随后由于孔隙率的急剧降低而导致吸收率降低。
在SLM工艺中，一般选择波长比CO2激光波长更短的Nd∶YAG和Yb光纤激光器，因为金属颗粒通常在较短的光波长下具有更高的吸收率。为了进一步提高铜合金的吸收率，德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)快速制造集团开发了“绿色SLM”项目，采用波长在515nm的绿光激光器，该波段激光束能够达到更好的聚焦效果，并将铜的吸收率提高到70%，使得利用此种光源的SLM工艺制造更加精密的部件，图13为其采用绿光激光器所打印的铜零件。
改善光束质量的激光器具有更高的制造精度，例如薄盘激光器，因此，当今大多数商用SLM机器都使用Yb光纤激光器作光源，从而摆脱了效率较低的CO2激光器。此外，还引入了在单个打印机中使用多个激光器组合的方法，以提高SLM的零件质量和打印速度。
LENS也是增材制造工艺之一，根据ASTM归类为定向能沉积，有时也称为直接光制造(DLF)、直接金属沉积(DMD)、激光金属沉积(LBMD)、激光自由成形制造(LFF)和激光直接铸造等其他术语。图14为典型的LENS工艺示意图。
在LENS中，打印材料通过喷嘴以粉末或金属丝的形式以受控的速率通过喷嘴分配到高功率激光束聚焦的熔池中。通常，整个物料分配系统和激光聚焦模块都安装在多轴机械臂上，可以沿着相同的路径移动。由于系统的灵活性，LENS还可以用于修复和修补一些设备零部件。当将激光束聚焦到焦平面上的较小点时，在深度方向(靠近焦平面)会有一定范围的激光束，其能量密度足以熔化金属粉末，形成熔池。焦平面定位、扫描速度、激光功率和进给速度是决定熔池中沉积的厚度和体积的关键参数。熔池的厚度应与LENS系统的最小层厚度相匹配，如果熔池的大小不一致，沉积加工的零部件将由于不同层之间熔池厚度不均匀，造成性能下降。
近年来，超短(皮秒或飞秒)脉冲激光已经成为微米和纳米粒子烧结过程中的最高效工具。研究表明，皮秒激光可以对纳米粒子进行激光诱导纳米焊接，飞秒激光可以以大于3×1010W/cm2的强度完全熔化银纳米颗粒(直径3~6nm)。在传统热烧结中，银纳米颗粒密集烧结，热烧结所需时间较长(20~60min)会对聚合物基材造成热损伤。激光烧结等光子烧结技术可以通过光热效应烧结金属颗粒，但是，烧结使用脉冲持续时间为几毫秒的光源同样会热损坏柔性基板。此外，强脉冲激光的广谱波长使得难以控制光吸收。然而，Noh等将激光的脉冲宽度缩短至飞秒，并将激光的波长调整为特定的颗粒/基材系统可以有效避免热损伤。
采用准分子激光进行纳米粒子烧结，可以实现小型结构的高分辨率数字图案化技术。与长波长激光器相比，通过聚焦受激准分子激光束可以产生较小的光斑，从而可以实现更高的空间分辨率。准分子激光器使用“准分子”作为增益介质，并通过脉冲放电泵浦以在紫外(UV)区域产生纳秒级脉冲。双光子聚合增材制造技术也是目前研究的热点。SLA是使用紫外线激光的单光子聚合过程，它的加工分辨率受到经典光学衍射极限的限制，很难满足高分辨率微纳米结构的加工要求。与SLA不同，使用近红外飞秒激光的双光子聚合增材制造技术可以突破传统光学衍射的局限，并构造具有任意形状的纳米级高分辨率三维结构。
了解增材制造中使用的激光器类型对于理解基于激光的增材制造最新技术至关重要。表2总结了在不同商用增材制造设备中使用的各种激光器。
对于不同增材制造工艺，目前所有主流增材制造设备公司均在使用Yb光纤激光器。CO2激光器通常用于聚合物粉末的SLS工艺中，而光敏聚合物树脂工艺设备则多采用三倍频的Nd∶YVO4激光器。当然，新的技术也正在开发中，并适用于各种增材制造技术应用。目前，基于SLA工艺的新型激光技术研发也备受关注，其中包括波长为325nm的He–Cd激光器和波长为364nm的Ar准分子激光器。而飞秒、皮秒激光器由于在3D打印过程中可实现高熔点或高热扩散率材料的加工，其开发应用也越来越多。
（1）长期以来CO2和Nd∶YAG激光器不仅是增材制造的工业力量，而且还因为其高性能和成本效益而成为各种基于激光的制造技术。
（2）Yb光纤激光器具有更高的平均功率，较高的系统稳定性，高水平的参数可调性和较低的维护成本等方面特征，因此正逐渐替代Nd∶YAG激光器。
（3）尽管准分子激光器光束质量相对较低且成本较高，但可用于需要高功率UV激光束的增材制造，以用于各种研究目的。
（4）基于激光的增材制造中的可打印材料，精度和生产效率等制造性能，必须根据目标性能选择用于增材制造的激光源。
未来，增材制造将与激光技术保持紧密联系，可以预见，基于激光的增材制造将逐渐取代传统的减材制造技术，或配合传统的制造技术以改善其性能，开发传统制造技术无法实现的新产业应用。
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