半导体激光器在快速成型中的应用研究

摘要

快速成型技术集成了CAD/CAM技术、计算机数控技术、激光技术、精密伺服驱动技术和新材料技术等现代科技成果，是一项多学科交叉、多技术集成的先进制造技术。传统的快速成型中所采用的激光光源大多为气体激光器，但存在体积较大、价格偏高、电光转换效率低、工作可靠性低等缺点，不利于快速成型技术的推广与应用。半导体激光器(LD)技术的发展，为SLA及SLS等快速成型系统提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、谱线宽度、功率等性能方面也完全符合大多快速成型工艺要求。本文围绕半导体激光器在快速成型中的两种典型应用--SLA、SLS快速成型系统为代表展开研究，主要内容概括如下： 1．介绍了快速成型技术的原理、分类、国内外研究现状。 2．介绍半导体激光器的辐射原理、技术现状和发展趋势。 3．阐述了半导体激光器在SLA RP、SLS RP系统中的应用优势。主要从系统的小型化、加工精度、半导体激光器与材料的作用等方面，着重分析半导体激光器作为新型的快速成型能量源，与传统快速成型光源相比，本身所具有的独特优势。 4．设计半导体激光器光源模块，根据半导体激光器光束的特殊性，选择柱面透镜组和组合棱镜组对光束进行准直、扩束，并选用GaAlAs SDL-4500半导体激光器，计算出具体的准直整形设计参数。 5．最后设计了基于半导体激光器光源模块的振镜扫描快速成型系统。主要包括激光二极管指向器、振镜(检流计扫描器)、动态聚焦模块等部分。 使用单管LD作为快速成型光源，可实现系统的小型紧凑，提高加工精度，并具有其它许多优点，国内外未有相关的技术报道，因此本项研究工作具有创新性。另外，在使用柱面透镜组对激光二极管光束进行准直和使用组合棱镜对光束进行整形方面具有一定新意。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1研究目的和意义

1.2快速成型技术原理、分类及其特点

1.2.1快速成型技术原理及分类

1.2.2快速成型技术的特点及应用

1.2.3快速成型技术的发展

1.3本文主要研究内容

2.快速成型新型能量源——半导体激光器

2.1半导体激光器辐射原理

2.1.1半导体中的能带及电子在能带之间的跃迁

2.1.2半导体激光器的基本工作原理

2.2半导体激光器的发展

2.3半导体激光器的应用

2.4半导体激光器在材料加工中的优势

3.半导体激光器在SLARP、SLSRP系统中的应用

3.1半导体激光器在光固化(SLA)快速成型中的应用

3.1.1光固化(SLA)快速成型基本原理

3.1.2光固化(SLA)快速成型工艺过程

3.1.3紫外半导体激光器在SLA RP系统中的应用

3.2半导体激光器在激光烧结(SLS)快速成型中的应用

3.2.1激光烧结(SLS)快速成型基本工作原理

3.2.2激光烧结(SLS)快速成型对材料性能的要求

3.2.3近红外半导体激光器在SLS RP中的应用

4.半导体激光器光源模块设计

4.1半导体激光器光束特性

4.2高斯光束的传输特性

4.2.1高斯光束发散角的定义

4.2.2高斯光束的成像特性

4.3半导体激光器准直整形技术

4.3.1组合透镜法对半导体激光束的整形变换

4.3.2自聚焦光纤对半导体激光束的准直

4.3.3非球面平凸透镜准直及棱镜组或望远镜结构整形

4.3.4半导体激光束通过光阑的整形

4.3.5各种准直整形技术的比较

4.4半导体激光器光源模块设计及准直整形具体参数设定

4.4.1半导体激光器光源模块设计

4.4.2半导体激光器准直整形具体参数设定

5.振镜扫描快速成型系统

5.1振镜扫描快速成型系统的基本组成单元

5.1.1激光二极管指向器

5.1.2振镜(检流计扫描器)

5.1.3动态聚焦模块

5.1.4扫描头与激光器的控制系统

5.2基于半导体激光器光源的振镜扫描快速成型系统

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间所发表的论文及所取得的研究成果

致谢