使用内部激光调制的立体光刻系统和方法
阅读：1018发布：2020-05-13
专利汇可以提供使用内部激光调制的立体光刻系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了使用内部激光调制的 立体 光刻 系统（10）和方法。该系统包括内部调制的 二极管 泵 浦倍频固态（DPFMSS） 激光器 40。在激光器和扫描系统（80）之间的外部光路（OPE）之内没有外部调制系统（EMS）。扫描系统将具有激光脉冲（72P）的激光波束（72）引导到建造材料（22）的表面（23）上的焦点 位置 （FP），以在其中形成针（25），以基于用于形成三维对象（32）的建造指令来定义建造层（30）。，下面是使用内部激光调制的立体光刻系统和方法专利的具体信息内容。
1.一种通过使用具有Q开关和激光二极管组件的二极管泵浦倍频固态（DPFMSS）激光器来由建造材料形成三维对象的方法，所述方法包括：
通过使用Q开关的脉冲宽度调制或激光二极管组件的电流调制，来通过内部调制控制DPFMSS激光器，以生成包括激光脉冲的激光波束，所述激光脉冲具有定义激光波束功率的选定能量，所述选定能量基于用于建造三维对象的建造指令；
在外部光路上从激光器向扫描系统引导激光波束，而不在外部光路之内执行外部调制；
通过使用扫描系统，来将激光波束引导到建造材料上的焦点位置，以在其中形成针，以基于建造指令来定义建造层；以及
重复建造层形成，以由建造材料形成三维对象，同时调整激光波束功率和焦点位置，以校正激光波束功率和焦点位置的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
DPFMSS激光器由电流调制控制，并且进一步包括：
以固定频率操作Q开关；
监控激光波束功率；以及
基于监控的激光波束功率的量，来控制对激光二极管组件的电流调制的量。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
将激光波束的一部分偏转到激光功率计；以及
生成代表激光波束功率的电信号，并向配置成控制激光波束功率的控制器提供电信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，
调整焦点位置包括：
监控焦点位置；以及
控制扫描系统以基于建造指令来针对焦点位置的变化而调整。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
DPFMSS激光器的控制采用了脉冲宽度调制，并且进一步包括：
用0%和99.9%之间的占空比来执行脉冲宽度调制；以及
向激光二极管组件提供基本上恒定的电流。
6.一种用于由建造材料形成三维对象的立体光刻系统，其包括：
二极管泵浦倍频固态（DPFMSS）激光器，其具有Q开关和激光二极管组件，并被配置成生成具有激光脉冲的激光波束；
控制器，具有用于建造三维对象的建造指令，其中建造指令定义激光脉冲中选定量的能量，控制器被配置成使DPFMSS激光器在电流调制模式下操作，以向激光脉冲提供选定量的能量；
扫描系统，其布置成在外部光路上从DPFMSS激光器接收激光波束，所述外部光路不包括外部调制系统，扫描系统被配置成将激光波束引导到建造材料上的焦点位置，以在其中形成针，以基于建造指令来定义建造层；
激光功率计，其被配置成测量激光波束中的功率的量，并向控制器提供代表激光波束功率的量的电信号，控制器被配置成调整提供到激光二极管组件的电流的量，以针对激光波束功率的变化而调整。
7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括：
光偏转构件，其被配置成将在外部光路之内行进的激光波束的一部分偏转到激光功率计。
8.根据权利要求6所述的系统，进一步包括：
激光焦点位置探测器，其布置成与建造表面光学连通，以探测建造表面上的焦点位置，并向控制器提供代表焦点位置的电信号，控制器被配置成调整扫描系统，以针对焦点位置的变化而调整。
9.一种用于由建造材料形成三维对象的立体光刻系统，其包括：
二极管泵浦倍频固态（DPFMSS）激光器，其具有Q开关和激光二极管组件，并被配置成生成具有激光脉冲的激光波束；
控制器，其具有用于建造三维对象的建造指令，其中建造指令定义激光脉冲中的选定量的能量，控制器被配置成使DPFMSS激光器在脉冲宽度调制模式下操作，以向激光脉冲提供选定量的能量；以及
扫描系统，其布置成在外部光路上从DPFMSS激光器接收所述激光波束，所述外部光路不包括外部调制系统，扫描系统被配置成将激光波束引导到建造材料上的焦点位置，以在其中形成针，以基于建造指令来定义建造层。
10.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：
控制器，其被配置成向激光二极管组件提供基本上恒定的电流，同时用0%和99.9%之间的占空比来执行脉冲宽度调制。
11.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：
激光焦点位置探测器，其布置成与建造表面光学连通，以探测建造表面上的焦点位置，并向控制器提供代表焦点位置的电信号，控制器被配置成调整扫描系统，以针对焦点位置的变化而调整。
12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括：
激光功率计，其被配置成测量激光波束中的功率的量，并向控制器提供代表激光波束功率的量的电信号，控制器被配置成调整脉冲宽度调制量，以针对激光波束功率的变化而调整。
使用内部激光调制的立体光刻系统和方法
[0002] 本申请根据35 U.S.C. §119(e)要求享有2010年11月29日提交的美国临时申请序列号 61/417,719的优先权权益，这里通过引用将该申请并入本文。本申请还根据36章要求享有2011年11月29日提交的国际申请No. PCT/US11/62361的优先权，其申请通过引用在此被并入。
技术领域
[0003] 本公开指向立体光刻（stereolithography）系统，并且特别地指向使用内部激光调制的立体光刻系统和方法，并且特别是电流调制或脉冲宽度调制。
背景技术
[0004] 当前存在若干种技术用于快速创建用于有限运行制造的模型、原型和对象（“部件”）。这些快速成型（rapid prototyping）技术一般称为实体自由成形（SFF, solid freeform fabrication）技术。
[0005] 一般地，在SFF中，以相加方式由建造材料产生三维对象，这与常规制造技术相反，常规制造技术一般实质上是减去的。例如，在最常规的制造技术中，材料通过机械加工操作被去除，或在模子（die）或模具（mold）中成形，并且然后被修整。相反，相加的制造技术递增地向目标的位置一层一层添加建造材料的部分以建造对象，所述对象可以是复杂的部件。SFF技术一般利用对象部件的计算机图形表示以及建造材料的供给源，来以连续层制造对象。
[0006] 一类SFF技术被称为立体光刻，在其中穿过液体光敏聚合物（photopolymer）树脂的连续层扫描紧密聚焦的能量波束，以选择性地固化每层的树脂以形成多层对象，其中所述紧密聚焦的能量波束一般来自激光器且处于紫外（UV）波长带中。立体光刻利用“点缝合（dot-stiching）”型式来固化树脂。
[0007] 立体光刻中使用的实例激光器是采用非线性晶体的二极管泵浦倍频（例如三倍频或四倍频）固态（DPFMSS）激光器。典型的DPFMSS激光器包括一个或多个泵浦激光二极管、三个或四个非线性结晶以及Q开关元件。这样的激光器必须满足特定的稳定性要求，以确保立体光刻工艺的足够的质量，其反映在缝合点的均匀重叠程度中。影响立体光刻工艺的DPFMSS激光器参数包括激光波束的发散、波束腰（beam waist）位置、波束品质因数或激光2
器的M值、激光功率、脉冲到脉冲稳定性以及指向稳定性，即控制激光波束方向的能力。
器的M值、激光功率、脉冲到脉冲稳定性以及指向稳定性，即控制激光波束方向的能力。
[0008] 历史上，当通过内部功率调制（即通过经由提供到泵浦激光二极管的电调制电流来电调制激光腔）来操作激光器时，上述DPFMSS激光器参数已经难以控制。因此，已经以恒定的Q开关重复率并且以基本上满功率，并且通过使用外部调制，来操作DPFMSS激光器。
[0009] 特别地，已经通过使用部署于激光器输出端和扫描镜系统之间的外部光路中的外部调制系统来实行外部调制。术语外部调制系统被理解为意指至少一个调制器，并且能够包括与至少一个调制器合作操作的附加的无源或有源组件。外部调制系统的具体例子具有声光调制器（AOM），其与针孔协作地布置以控制激光器输出功率和波束定向性。一般，在高频下，例如在20MHz到80MHz范围中，调制AOM。
[0010] 因为AOM是衍射组件，所以其相对于DPFMSS激光器在空间中的精确放置是重要的，并且一般要求高度受训的激光器技术人员执行必要的对准，这可能花费数小时。同样，因为AOM是与激光波束成一条直线的第一组件，所以任何灰尘或微裂逢都会创建波束散射。这对于立体光刻工艺的质量可能是有害的，因为UV可固化树脂可能通过曝光于该散射光而随时间固化。同样，为了以低成本维持高UV功率，需要来回平移非线性晶体以使其老化平坦化。这种平移自身是针对建造工艺的参数的稳定性和可靠性的贡献者。此外，以最大功率运转DPFMSS激光器达长期的时期缩短了激光器的寿命。
[0011] 鉴于与用外部调制DPFMSS激光器执行自由成形（freeform fabrication）相关联的以上复杂性，非常优选的是，能够通过使用DPFMSS激光器来执行自由成形，而无需外部调制系统。发明内容
[0012] 将在后面的具体实施方式中阐述本公开的附加的特征和优点，并且其部分地对于本领域的技术人员而言从该描述将是容易地显而易见的，或通过如这里所述的那样实践本公开来认识到，包括具体实施时方式、权利要求以及附图。权利要求被并入下面阐述的具体实施方式中并构成其一部分。
[0013] 本公开的一方面是一种通过使用具有Q开关和激光二极管组件的DPFMSS激光器来由建造材料形成三维对象的方法。所述方法包括：通过使用Q开关的脉冲宽度调制或激光二极管组件的电流调制，来通过内部调制控制DPFMSS激光器，以生成包括激光脉冲的激光波束，所述激光脉冲具有选定能量，所述选定能量基于用于建造三维对象的建造指令。所述方法进一步包括：在外部光路上从激光器向扫描系统引导激光波束，而不在外部光路之内执行外部调制。所述方法还包括：通过使用扫描系统，来将激光波束引导到建造材料上的焦点位置，以在其中形成针，以基于建造指令来定义建造层。所述方法附加地包括：重复建造层形成，以由建造材料形成三维对象，同时调整激光波束功率和焦点位置，以对由内部调制过程引起的激光波束功率和焦点位置的变化负责。
[0014] 本公开的另一个方面是上述方法，其中DPFMSS激光器由电流调制控制，并且进一步包括：以固定频率操作Q开关；监控横切光路的激光波束的功率的量；以及基于监控的功率的量，来控制对激光二极管组件的电流调制的量。
[0015] 本公开的另一个方面是如上面刚刚所述的方法，并且进一步包括将激光波束的一部分偏转到激光功率计。
[0016] 本公开的另一个方面是上述方法，进一步包括调整焦点位置包括：监控焦点位置；以及控制扫描系统以相对于建造指令来针对焦斑位置的变化而调整。
[0017] 本公开的另一个方面是上述方法，其中DPFMSS激光器的控制采用了脉冲宽度调制，并且进一步包括：用0%和99.9%之间的占空比来执行脉冲宽度调制；以及向激光二极管组件提供基本上恒定的电流。
[0018] 本公开的另一个方面是用于由建造材料形成三维对象的立体光刻系统。所述系统包括DPFMSS激光器，其具有Q开关和激光二极管组件，其中激光器被配置成生成具有激光脉冲的激光波束。所述系统包括控制器，具有用于建造三维对象的建造指令，其中建造指令定义激光脉冲中选定量的能量。控制器被配置成使DPFMSS激光器在电流调制模式下操作，以向激光脉冲提供选定量的能量。所述系统还具有扫描系统，其布置成在外部光路上从DPFMSS激光器接收激光波束，所述外部光路不包括外部调制系统。扫描系统被配置成将激光波束引导到建造材料上的焦点位置，以在其中形成针，以基于建造指令来定义建造层。所述系统还具有激光功率计，其被配置成测量激光波束中的功率的量，并向控制器提供代表激光波束功率的量的电信号。控制器被配置成调整提供到激光二极管组件的电流的量，以针对激光波束功率的变化而调整。
[0019] 本公开的另一个方面是一种光偏转构件，其被配置成将在外部光路之内行进的激光波束的一部分偏转到激光功率计。
[0020] 本公开的另一个方面是上述系统，进一步包括激光焦点位置探测器，其布置成与建造表面光学连通，以探测建造表面上的焦点位置，并向控制器提供代表焦点位置的电信号，控制器被配置成调整扫描系统，以针对焦点位置的变化而调整。
[0021] 本公开的另一方面是一种用于由建造材料形成三维对象的立体光刻系统。所述系统具有DPFMSS激光器，其具有Q开关和激光二极管组件，并被配置成生成具有激光脉冲的激光波束。所述系统还包括控制器，其具有用于建造三维对象的建造指令。建造指令定义激光脉冲中的选定量的能量。控制器被配置成使DPFMSS激光器在脉冲宽度调制模式下操作，以向激光脉冲提供选定量的能量。所述系统还具有扫描系统，其布置成在外部光路上从DPFMSS激光器接收所述激光波束，所述外部光路不包括外部调制系统。扫描系统被配置成将激光波束引导到建造材料上的焦点位置，以在其中形成针，以基于建造指令来定义建造层。
[0022] 本公开的另一个方面是上述系统，进一步包括控制器，其被配置成向激光二极管组件提供基本上恒定的电流，同时用0%和99.9%之间的占空比来执行脉冲宽度调制。
[0023] 本公开的另一个方面是上述系统，进一步包括激光焦点位置探测器，其布置成与建造表面光学连通，以探测建造表面上的焦点位置，并向控制器提供代表焦点位置的电信号，控制器被配置成调整扫描系统，以针对焦点位置的变化而调整。
[0024] 本公开的另一个方面是如上面刚刚所述的方法，进一步包括激光功率计，其被配置成测量激光波束中的功率的量，并向控制器提供代表激光波束功率的量的电信号，控制器被配置成调整脉冲宽度调制量，以针对激光波束功率的变化而调整。
附图说明
[0025] 图1A是根据本公开的示例立体光刻系统的示意图，其中该立体光刻系统利用了DPFMSS激光器，其通过使用内部调制在电流调制（CM）模式或脉冲宽度调制（PWM）模式下操作；
[0026] 图1B是现有技术立体光刻系统一部分的近视图，该系统包括外部光路之内的外部调制系统；
[0027] 图2是构成激光波束的一系列激光脉冲的示意图，图示了激光脉冲如何基于建造信息来选择能量的量，以及如何由DPFMSS激光器的PWM或CM定义选定量的能量；
[0028] 图3包括Q开关信号关于时间的上方绘图，图示了Q开关的PWM控制的例子，以及与上方绘图中的Q开关的PWM控制对应的激光脉冲中对应输出功率的下方绘图；
[0029] 图4绘制了针对现有技术DPFMSS激光器（曲线C1）和针对本公开的DPFMSS激光器的输出功率（mW）关于占空比（%）的关系，现有技术激光器利用了外部调制系统，本公开的激光器利用了PWM，没有外部调制系统；
[0030] 图5A提供了建造材料中形成的示例针的示意俯视图和横截面视图，图示了形成针时激光脉冲的重叠；以及
[0031] 图5B类似于图5A，并且示出了通过使激光脉冲位移而形成位移的针的例子，以及由具有过多能量的激光脉冲形成的过大的针。
[0032] 图中描绘的各种元件仅仅是代表性的，并且不必按比例绘制。其特定部分可能被夸大，而其它部分可能被最小化。附图意在图示本公开可以被本领域的普通技术人员理解且适当实行的示例实施例。
具体实施方式
[0033] 以下美国专利通过作为一个整体引用被并入：5,339,323；5,840,239；6,001,297；6,141,369；6,172,996；6,215,095；6,590,911；6,931,035；7,130,321 和
7,292,387。
7,292,387。
[0034] 以下非专利参考文献通过作为一个整体引用被并入：
[0035] “Fundamental Processes,” Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography, Ed: P.F. Jacobs. pp. 79-110, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1992; 以及
[0036] “Photopolymer Photospeed and Laser Scanning Velocity,” Advances in the Imaging System, Stereolithography and other RP&M Technologies, P. F. Jacobs, pp54-56, 110-112, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1996。
[0037] 立体光刻
[0038] 当前立体光刻是快速成型和制造（RP&M）的主导的方法。可以将立体光刻定义为一种用于由流体状建造材料自动制造三维对象的技术，其利用在工作表面处选择性曝光材料层以固化和粘合对象的连续的层（即薄层）。在立体光刻中，表示三维对象的数据被输入作为或转换为表示对象横截面的二维层数据。如图1A中所示，依次形成建造材料22的多个层（薄层）30（即层30-1、30-2、..30-i），并且其根据二维层数据被选择性变换（即固化）成连续的层，以形成三维对象32。在例子中，给定建造层30具有0.004英寸（0.1毫米）量级上的厚度。
[0039] 由于固态激光器开发的进展，立体光刻技术最近已经开始从效率低的气体激光器的使用转离，并且已经开始转向倍频固态激光器。1049nm至1064nm的Nd:NYAG、Nd:YVO4和Nd:YLF激光器的三倍频产生了355nm（YAG和YVO4）、351nm（YLF）和349nm（YLF）的波长，其全都适合于供具有当前树脂配方的立体光刻之用。1342nm的Nd/YVO4激光器的四倍频也产生适合于立体光刻的波长（335nm）。
[0040] 可以在美国专利No. 5,840,235中找到关于固态激光器的更多细节。到目前为止，当应用于立体光刻时，这些激光器操作在恒定重复脉冲模式，并与外部调制系统一起操作，如上所述并且如美国专利No. 6,215,095中详细所述。
[0041] 立体光刻系统
[0042] 图1A是根据本公开的立体光刻系统（“系统”）10的示例配置示意图，其包括具有激光器40的激光设备100。示例激光器40包括但不限于从Santa Clara, California的Newport 公司可获得的EXPLORER®激光器。为了实现355nm的UV波长，将从该特定激光设备生成的基频线1064nm增加到三倍。
[0043] 系统10包括槽20，其包含建造材料22（例如光敏聚合物），从其形成上述层（薄层）30以建造上述三维对象32。可移动支撑装置36，诸如升降机和建造平台，在建造材料22的建造表面23下，为正在被形成的每个层30提供支撑表面。
[0044] 系统10还包括控制器90，所述控制器90包括数字信号处理器（DSP）92、现场可编程门阵列（FPGA）94、存储单元（MU）96和脉冲发生电路（PGC）98（其也可以位于电源56中，下面会介绍和讨论）。MU 96被配置成存储用于建造对象32的建造指令（例如，CAD/CAM文件）。控制器90被配置成基于MU 96中存储的建造指令来控制系统10的操作。在可替换的实施例中，建造指令居于可操作地链接（例如，经由以太网电缆）到控制器90的外部单元（例如远程CAD/CAM系统）中。建造指令包括传达针对建造材料22的每次激光脉冲曝光、关于所要求的激光波束功率（例如脉冲能量）和方向的信息的矢量。在例子中，PGC 98被配置成使激光设备100基于来自扫描系统80的编码器82的镜子位置读数发射激光脉冲72P。
[0045] 系统10还包括DPFMSS激光器40。示例DPFMSS激光器40包括Nd:原钒酸盐（Nd:OrthoVanadate）激光器和Nd:Yag激光器。DPFMSS激光器40包括具有内部43的外壳42。散热装置44被部署成与外壳42热连通，并被配置成从内部43去除热量以控制其中的温度。在例子中，散热装置44被配置成将外壳内部43之内的温度控制在+/-0.1℃之内。
激光器40具有输出端48。
激光器40具有输出端48。
[0046] DPFMSS激光器包括激光二极管组件50，其包括例如发射波长λP为808nm的泵浦光52的激光二极管54（示出了一个这样的激光二极管）。激光二极管组件50电连接到电源56，所述电源56经由电信号S50向激光二极管组件50提供电力（即，电流i50）。电源56电连接到控制器90，并且从而经由控制信号S56被控制。在例子中，PGC 98定义控制信号S56，其确定电源56向激光二极管组件50提供的电流i50的量。
[0047] 激光二极管组件50光耦合到激光器40中的激光振荡器60。激光振荡器60发射具有激光波长λL的激光62。来自激光二极管组件50的泵浦光52被用于激励激光振荡器60中的增益介质（未示出），并且在增益介质中产生粒子数反转，从而提供针对激光器40的光学增益源。
[0048] Q开关64沿着内光路居于激光振荡器60的腔之内。Q开关64电连接到脉冲宽度调制器驱动器（PWMD）66，所述脉冲宽度调制器驱动器（PWMD）66接着又电连接到控制器90，并由控制信号S66控制。经由来自PWMD 66的控制信号S64控制Q开关64。在例子中，使Q开关64在脉冲宽度调制（PWM）模式下操作，从而使激光器腔将激光设备100作为重复脉冲激光器操作。在下面所讨论的采用电流调制（CM）的另一个例子中，以固定频率操作Q开关64。
[0049] DPFMSS激光器40在激光振荡器60的下游还包括非线性介质（NLM）系统70，其被配置成接收激光62，并对该光进行倍频，以形成波长为λF的倍频激光波束72。参考图2，光72由激光脉冲72P构成，所述激光脉冲72P的能量由电流调制工艺或脉冲宽度调制工艺定义。
[0050] 在例子中，NLM系统70包括多个非线性晶体。示例非线性晶体包括Nd:YVO4晶体，即掺钕钒酸钇。由具有808nm波长的光泵浦的Nd:YVO4晶体生成并放大各种波长，包括在1064nm的主导线和在1342nm的副线。在一个实施例中，除了在1342nm发射的辐射之外，抑制由晶体生成的所有波长。然后对该光进行四倍频，以形成具有UV波长λF = 355 nm的激光波束72。
[0051] 在一个实施例中，NLM系统70包括硼酸锂晶体（LBO），其具有平面平行表面，所述平面平行表面被抛光并在671nm和1342nm被AR涂覆，并且被配置成提供足够的转换效率和适当的相位匹配。其它类型的合适的二次谐波晶体可以在NLM系统70中被采用，并且包括例如KTP、LiIO3和DCDA、BBO、I型CLBO和I型LBO。
[0052] 在通过引用在这里被并入的V. G. Dmtriev、G. G. Gurzadyan、D. N. Nikogosyan的参考文献Handbook of Nonlinear Optical Crystals （1991）中描述了用于为倍频工艺建立针对NLM系统70的最优几何形状的各种方法。在例子中，可以通过使用解决相位匹配问题的定制光学组件和配置来减小相位匹配误差，所述相位匹配问题包括正向前通过NLM系统70的相位以及从谐振器反射回的反向相位的问题。这样的组件和配置能够包括：定制切割的晶体楔角、计算机优化的介质镜子涂层以及激光腔长度的压电换能器控制。
[0053] 激光波束72离开NLM系统70并在输出端48离开激光器40，于是激光波束在外部光路OPE上行进到扫描系统80。扫描系统80被配置成将激光波束72引导到槽20中的建造材料22的表面23（即建造表面或工件表面），以形成上述层（薄层）30。控制器90基于其中的建造指令，例如CAD文件、STL文件等文件，来控制扫描系统80的操作。扫描系统80可以包括例如由对应马达（未示出）驱动的扫描镜（未示出）。扫描系统80包括镜子编码器（“编码器”）82，其将镜子位置数据转发到控制器90。
[0054] 系统10可以包括若干未示出的其它无源光学组件，诸如分色滤光片（dichroic filter）、镜子、透镜等，其可以可操作地布置在激光二极管组件50和扫描系统80之间的光路中，以促进系统作为整体的操作。图1A示出了一个例子，在其中出于下述原因，光偏转元件202居于外部光路OPE中。
[0055] 图1B是现有技术立体光刻系统一部分的近视图，其示出了部署于外部光路OPE之内的外部调制系统EMS。图1A的系统10不包括外部光路OPE中的这种外部调制系统EMS，并且特别是不包括AOM（或其它有源光学元件）、AOM底座（要求六个移动自由度）或与AOM协作布置以促进波束对准的针孔光阑（aperture）。另外，系统10不包括AOM驱动器，其生成大量RF噪声。
[0056] 系统10同样不要求NLM系统70来扫描其中的非线性介质，以防止介质、即非线性晶体的过早老化。由于与必须通过针孔传递光72用于功率调制相关联的吸收和散射，系统10同样没有功率损耗。
[0057] 激光设备100通过采用激光设备100的内部调制，来消除对图1B的外部调制系统EMS的需要。特别地，激光设备100经由电信号S50对激光二极管组件50采用电流调制（CM），或经由信号S64对Q开关64采用脉冲宽度调制（PWM）。因而，当经由激光脉冲72P建造对象32时，使用激光设备100的内部调制而非外部调制来控制并向建造材料22输送指定量的激光功率。
[0058] 脉冲宽度调制（PWM）
[0059] 为了在DPFMSS激光器50中实行PWM，经由来自电源56的信号S50为激光二极管组件50提供连续电流i50，并且基于MU 96中存储的建造信息来调制Q开关64。
[0060] Q开关64的PWM允许激光振荡器60的腔内增益介质随着时间存储能量，并且然后在非常短的时间内释放能量。当闭合Q开关时的该能量集成可以无期限地继续，直到达到饱和极限为止。
[0061] 在例子中，Nd:原钒酸盐非线性晶体能够在大约50微秒内达到饱和。在例子中，PWM重复率大约为67kHz，其大约为15微秒。因为消耗的能量具有非常短的脉冲长度，在纳秒量级上，所以当断开Q开关时，各种非线性晶体，诸如Nd:原钒酸盐或Nd:Yag，具有相当高的瞬时能量耗散。这意指永远不会达到饱和强度。因此，可以使用PWM来通过控制Q开关的占空比，即当Q开关64处于断开位置（释放激光能量）的时间与其处于闭合位置（累积激光能量）的时间相比，来控制激光波束72中每个激光脉冲72P中的能量的量。由MU 96中存储的建造指令以及激光器40的内部调制，而非由如图1B的现有技术配置中所示的外部调制系统，来定义针对特定激光脉冲72P的能量的量。
[0062] 图2是激光波束72中一系列示例激光脉冲72P（72P-1、72P-2、72P-3、…72P-j）的示意图。每个激光脉冲72P都具有名义上相同的脉冲宽度W（即，相同的Q开关断开时间），但具有不同的强度，如由脉冲的不同高度所图示。在例子中，由Q开关64保持闭合多久来定义每个脉冲72P中的能量的量，而Q开关断开的时间量对于每个脉冲而言是相同的（因而为每个脉冲提供基本相同的脉冲宽度W）。在实践中，由于NLM系统70中的非线性效应，而不是因为Q开关定时，脉冲宽度W可以在例如5ns和20ns之间随机变化。在例子中，脉冲之间的时间间隔TP可以在微秒量级上，例如名义上15微秒。
[0063] 图3包括Q开关信号S64关于时间的上方的绘图，其图示了Q开关的PWM控制的例子。图3还包括与上方绘图中的Q开关的PWM控制对应的激光脉冲72P中的对应输出功率的下方的绘图。脉冲72P的幅度代表给定脉冲中能量的量。与Q开关断开（0）和闭合（1）的时间量相比，脉冲72P非常窄，因为脉冲一般是5ns到20ns宽，而针对Q开关的断开和闭合时间以微秒为单位被测量。
[0064] 执行Q开关64的PWM是控制由激光设备100发射的激光波束72中平均功率的有利方法，因为其它激光设备操作参数，诸如温度，可以保持基本上恒定。这减小了光生成过程在激光脉冲之间以除了由PWM过程人为赋予的量之外的量变化的机会。
[0065] 由于激光振荡器60的“电荷积累”效应是激光振荡器增益介质中指数形式粒子数反转的结果，所以作为PWM占空比的函数的激光设备100的平均输出功率也指数地增长。同时，随着功率从增益介质中增加，由于转化过程的非线性性质，二倍频、三倍频和/或四倍频晶体也将实现非线性转换效率。
[0066] 图4是离开DPFMSS激光器40的激光波束72的功率（mW）关于Q开关占空比（以%为单位）的绘图。曲线C1针对的是现有技术DPFMSS激光器，其利用具有上述AOM针孔装置的外部调制系统。曲线C2针对的是本公开的DPFMSS，其通过使用内部功率调制来操作，并且不包括外部调制系统。参考符号IF1A和IF1B表示曲线C1上的两个拐点，而IF2表示曲线C2上的单个拐点。曲线C2基本保持在0输出功率，直到50%的占空比，而曲线C1维持0输出功率，仅到大约16%的占空比。
[0067] 因而，为了将UV功率减小到0mW，可以用0到50%的占空比实行PWM过程。由于DPFMSS三倍频/四倍频激光器40可以具有多达20个腔模式，所以用相对高的占空比（例如50%）操作PWM过程，对于指向稳定性是有益的。这用于保持激光器空转，其减小了任何不想要的模式竞争主导的可能性，这可能不利地影响激光波束72的质量。在实践中，占空比能够分布在从0%到99.9%的范围内。
[0068] 继续参考图4，因为PWM过程仅具有一个拐点IF2，所以减小了当激光器性能退化时激光器校准的复杂性。通过执行曲线拟合技术来执行激光器校准，曲线拟合技术诸如一阶或二阶多项式，其通过线性回归分析求解负责占空比百分数的电压和输出激光功率之间的关系。之后，倒置已求解的多项式，使得DSP能够立刻提供任何要求的功率。通过采用12比特D/A转换器作为DSP 92的一部分，可以实现所要求的校准分辨率。如果已经发生了超过一个拐点，那么DSP可以当激光器的光学组件退化时请求不精确的激光功率。拐点常常指示不会随着求解的系数线性缩放的区域，因而要求收集新的数据，使得能找到新的系数。2
常常要求>0.998的R值（曲线拟合适合性的度量）以确保足够的激光功率精确度。
常常要求>0.998的R值（曲线拟合适合性的度量）以确保足够的激光功率精确度。
[0069] 在Q开关64的PWM的示例实施例中，在MU 96中缓存体现在PWM信号S66中的PWM命令，在例子中所述MU 96包括高速DSP存储器。由于编码器82提供关于驱动扫描系统80中的扫描镜的马达（未示出）的位置的反馈，所以人能够预测马达在特定时间将在哪里。这要求按时间向前或按时间向后（视情况而定）慢慢移动PWM功率的队列，以保持PWM过程与建造过程同步。
[0070] 电流调制
[0071] 对于减小立体光刻系统的拥有成本而言，CM是有利的。这是因为，当请求低激光功率时，可以在低电流下操作激光二极管组件50，因而增加泵浦激光二极管52的寿命。在采用AOM/针孔配置的常规立体光刻系统中，在高电流下操作激光二极管组件50，这引起激光器40、并且特别是激光二极管54上的大量的磨损。
[0072] 以正向偏置配置提供了经由电源56向激光二极管组件50中的激光二极管54供应的能量。在例子中，激光二极管组件50包括外部引线（未示出），其提供温度信号、光功率反馈信号或两者。大部分激光二极管组件50要求高电流与相对低的电压来操作。在一个例子中，可以使用6安培或甚至25安培与仅仅2伏，足以操作激光二极管组件50之内的激光二极管54。
[0073] 用于激光二极管54的高电流和低内阻，必须要对注入激光二极管54阳极中的电流i50进行高度调节。由于热散逸（runaway）和光谱偏移的潜在可能，必须要将激光二极管54保持基本恒定。当由于温度增加而引起激光二极管内阻减小时，发生热散逸，使得相同的施加电压对应于要消耗的更大电流。这又增加了激光二极管的温度，其再次减小内阻，等等。当激光二极管54的温度增加或减小时，发生光谱偏移。没有足够的温度调节，来自激光二极管54的泵浦光52的标称输出泵浦波长常常会偏移数个纳米。
[0074] 为了实现针对立体光刻的合适的激光器稳定性，必需的是，仔细调节激光二极管组件50的温度，使得将其中的激光二极管54维持在基本是固定的温度。在例子中，必须要将激光二极管组件50的温度维持在0.05摄氏度之内，这要求在0.1摄氏度之内调节外部散热装置44。然而，外部散热装置44没有快速响应时间，并且所以仅能够管理在相对长的时间周期，例如10分钟上发生的温度波动。
[0075] 在用于形成三维对象32的建造过程期间，形成每个薄层30一般可能花费从5秒到2分钟，在形成下一个薄层之前继之以大量的休息间隔（一般为30秒）。建造过程中的这种变化导致激光设备100的温度可变性。由于构成NLM系统70的非线性晶体折射率的非线性改变，该温度可变性引起激光波束72方向的漂移以及激光器40最大输出功率的漂移。
[0076] 为了针对CM和PWM工作模式都确保相对短的时间间隔（例如，分钟之间）上的激光器稳定性，为系统10提供激光功率计200，其被配置成测量激光波束72中的功率的量。在例子中，这是通过在外部光路OPE中放置上述光偏转元件202以将激光波束72的小部分
72'偏转到激光功率计200来实现的。
72'偏转到激光功率计200来实现的。
[0077] 激光功率计200电连接到控制器90，并且向控制器提供代表激光波束72中的测5
量功率的电信号S200。在例子中，激光功率计200集成大量的激光脉冲（例如大约10个脉冲）以提供平均的功率测量，并且还允许激光功率计热稳定。在例子中，激光功率计200以
2
mW/cm为单位测量功率。
量功率的电信号S200。在例子中，激光功率计200集成大量的激光脉冲（例如大约10个脉冲）以提供平均的功率测量，并且还允许激光功率计热稳定。在例子中，激光功率计200以
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mW/cm为单位测量功率。
[0078] 另外，系统10包括同样电连接到控制器90的激光焦点位置探测器220。激光焦点位置探测器220与建造表面23光学连通，并探测激光波束72在建造表面上的焦点位置FP。激光焦点位置探测器220向控制器90提供代表激光波束72在建造表面23上的焦点位置FP的电信号S220。
[0079] 控制器90被配置成接收电信号S200和S220，并处理这些信号以补偿激光波束72方向的任何偏移（如由基于建造指令来自所要求的焦点位置的焦点位置FP的改变所指示）以及激光波束72输出功率的任何改变（如由来自激光功率计200的测量输出功率所指示）。对于PWM模式，控制器90被配置成调整PWM，以调整激光波束功率相比较于建造信息所要求的激光波束功率量（或特别是，激光脉冲能量）的变化。
[0080] 为了执行激光设备100的电流调制，在例子中，由MU 96的上述高速存储缓冲器来命令居于DSP 92中的12比特D/A转换器93，所述MU 96的上述高速存储缓冲器与来自扫描系统80中的编码器82和定位控制系统的扫描马达反馈同步。D/A转换器93直接连接到脉冲发生电路98上的输入，在示例实施例中，其被配置成调节从电源56向激光二极管组件50提供的电流的量。
[0081] 在CM过程期间，以恒定占空比操作Q开关64，并且不将其用于改变激光脉冲72P中的能量的量。示例Q开关重复率在30千赫和120千赫之间的范围中分布，而示范性重复率为67千赫。如果重复率显著快于大约120kHz，那么在激光腔已经完成其充电周期之前它将耗尽能量。如果重复率显著慢于20kHz，那么在形成薄层30中的针（bullet）形成之间的延迟时间会变得过于冗长，并且在三维对象32中形成精细细节的能力将受损。
[0082] 改进的针形成
[0083] 如上所述，本公开的方面包括通过CM或PWM来内部调制DPFMSS激光器40，以生成稳定的激光波束72，然后将激光波束72用来由建造材料22的层30形成三维对象32。
[0084] 图5A是示意图，其示出了由激光脉冲72P在建造材料22中形成的针25的顶视图和横截面视图。如上所述，在实行立体光刻中，在焦斑FP（参见图1A）处在建造材料22的表面23（即目标表面或工作表面）上绘制激光波束72。由于激光波束72由激光脉冲72P构成，所以建造材料22的连续线的固化要求让建造材料22受到连续激光脉冲72P，所述连续激光脉冲72P充分重叠，以确保连续固化的区域（即上述针25）之间的粘合。在相邻针25之间示出了间距SB的示例度量。
[0085] 由于针对激光脉冲72P的脉冲持续时间一般非常短（例如5到20ns），所以可以认为脉冲持续时间期间的激光波束72移动是可忽略的。相邻针25之间的间距SB称为“步长”。步长SB等同于激光波束72的速度与脉冲重复率之比。由于每个激光脉冲72P都具有与其关联的宽度和能量，所以当与建造材料22相互作用时，将发生能量的特定沉积型式。
[0086] 在从激光脉冲72P沉积的能量超过与建造材料22相关联的临界曝光能量EC的地方，将发生建造材料的固化。激光波束72的单个脉冲72P将导致形成固化材料的对应针25，其被部分聚合但仍然凝胶化的建造材料的区域27围绕，该区域是亚临界曝光区域。如果两个激光脉冲72P发生得足够接近在一起，使得其单独的曝光亚临界区域重叠，如果针之间的区域27已经从两个脉冲接收到足够能量以超过临界曝光能量EC，则可能发生本来独立的针25之间的粘合。
[0087] 一般，步长SB等于或小于来自单个脉冲的固化的宽度。然而，由于亚临界曝光的重叠区域27，在甚至更宽一些的间距处可能发生粘合，在一些情况下，可能的是使用更大的步长。优选地，步长小于来自单个激光脉冲72P的固化宽度的一半（即，单独针25的半宽度）。因而，由脉冲重复率和激光波束72的有效宽度（即与单个激光脉冲72P相关联的固化宽度）指示了针对激光波束72的最大扫描速度。
[0088] 图5B类似于图5A，并且图示了一个例子，在其中使一个激光脉冲72P位移，从而形成偏移的针25D，并且还示出了一个例子，在其中一个激光脉冲具有过多能量，导致异常大的针25L。
[0089] 固化深度（以及因而针形成）受到激光功率、M平方值、发散和波束腰部位置的影响。激光光斑的半宽度更受发散的影响，但其它参数几乎同样重要。功率受到激光器的内部对准和温度的影响。
[0090] DPFMSS激光器40的内部调制考虑到针25的简化形成，并且因而简化三维对象32的形成，因为如果不是大部分波束控制问题，也是很多波束控制问题被缓和。同样，使用激光功率计200和激光焦点位置探测器220确保了维持适当量的激光波束功率并且焦点位置不徘徊。
[0091] 通过使用系统10来形成三维对象32的示例方法包括如下步骤：
[0092] (1) 接收控制器90中表示三维对象32的对象数据（建造信息），例如以STL文件格式或CAD文件格式；
[0093] (2) 将对象数据转换成横截面数据并在MU 96中存储为建造信息；
[0094] (3) 对于对象的给定横截面，将横截面数据转换成描述要沿着的扫描路径的数据；
[0095] (4) 将扫描路径数据的一个副本转换成扫描系统定位数据，包括任何系统校准数据和漂移校正数据；
[0097] (6) 沿着由扫描路径数据定义的路径移动激光波束72，并将实际波束位置与焦点位置比较；
[0098] (7) 当遇到焦点位置时生成激光脉冲72P，同时基于如上所述的CM或PWM过程通过使用内部调制来定义每个激光脉冲中的能量的量；
[0099] (8) 针对下一个（相邻）要形成的薄层（建造层）重复步骤（2）至（7），直到完成三维对象32。
[0100] 优点
[0101] 针形成和SFF的内部调制方法具有若干优点，胜过诸如图1B中所示利用外部调制系统EMS的常规方法。
[0102] 第一优点是，其允许针对系统10的简单设计，因为不需要外部调制系统，并且不需要管理与外部调制系统相关联的对准和校准问题。第二优点是，避免了由AOM和针孔配置引起的光散射，使得当与能够支持精细细节的对象的建造材料22一起使用时，对象32可以被形成，而具有更锐利的特征。
[0103] 第三优点是，DPFMSS激光器不再需要高强度泵浦光52。由于总的转换效率更大，所以用来自激光二极管54的少得多的IR泵浦能量，创建了相同的UV能量。这导致与激光设备100的稳定性和拥有成本相关的其它优点，包括消除了a）冷却激光二极管组件50的冷却装置、b）增加NL晶体的寿命的晶体平移、c）AOM、d）AOM RF驱动器、e）AOM阻挡针孔、f）对周期性AOM对准的需要、g）缩短的激光器寿命、h）引起扫描马达反馈线路中RF噪声的AOM驱动器、i）由热位移引起的AOM激光定位误差和j）功率曲线异常。
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