德国PRIMES——扫描场焦点分析仪SFM监测nLIGHT

SFM激光振镜扫描场焦点分析仪采用刻有10~15微米厚测量线玻璃板的专利技术表征激光光束特性，光电二极管探测刻线的散射光来测量激光光斑

在增材制造工业领域恩耐AFX－1000环形光斑激光器越来越受到关注。德国PRIMES公司的激光扫描场焦点分析仪 ScanFieldMonitor（SFM）设计用于监测激光振镜扫描系统状态以及维持增材制造3D打印加工质量，荣获AKL 2022激光技术创新奖一等奖。本文展示了SFM对AFX－1000激光器不同模式光斑的一系列测量，揭示了SFM观察到的模式振荡的来源，光斑分布结果与激光粉末床熔合LPBF加工效果一致。

恩耐AFX－1000是一款在光纤内部进行光斑调整的kW激光器，可自由切换14μm单模纤芯高斯光和40μm多模环形光等7种模式，无需多余的光学镜组。以增材制造应用为研发初衷，AFX在环形光斑模式下能够稳定熔池，减少烟尘和飞溅，提高材料的加工质量和生产效率。离散型的设计理念可实现每秒30次的极速光斑切换，为因熔化与凝固比例问题、微观物理特性与热应力所导致的零部件失效提供了全新的解决方案。AFX光纤激光器在环形光斑模式下加工致密材料（致密度＞99.5％）的速度已超过每小时100立方厘米。

SFM可在3秒内测量功率10W~1500W激光扫描场50μm~500μm聚焦光斑的直径、位置、扫描速度，峰值功率密度可高达100MW/cm2

德国PRIMES公司的激光扫描场焦点分析仪SFM是一款多功能一体化的激光光束诊断设备。这项研发是由增材制造选择性激光熔化SLM或激光粉末床熔合LPBF的许多新应用而推动的。SFM分析仪可在整个扫描场范围测量激光焦点参数：光斑直径、位置、扫描速度；还可以确定枕形失真、重叠扫描场的合并、焦点偏移以及激光的开启和关闭延迟、热透镜检查等时间分辨分析；并且能实现LDS软件远程控制，从而使用户能够更好地校准激光3D打印机。

AFX－1000的7种Index光斑模式（MSM+测出焦点二维光斑及横向分布），SFM测出焦点横向分布（多次平均后的）

PRIMES MSM+ CCD型微细焦点分析仪功能完善，测出AFX－1000的7种Index焦点二维光斑及横向分布作为标准（500W静止光）。PRIMES SFM测量AFX－1000 500W 1m/s扫描加工速度下的焦点横向分布，很接近MSM+的测量结果，测得的光斑直径与MSM+测量结果一致，误差在3%以内。SFM测量头8×8×10厘米，相比MSM+体积小40倍，性价比更高，能直接测量扫描加工速度下的运动光，入射角度最高可达20度，可以在整个扫描区域测量，更适合3D打印激光测量。

SFM测量AFX－1000 Index 5光斑经过10次平均后的焦点横向分布，10次测量可以看见光斑模式振荡的细节，平均（红色）后振荡细节消失

AFX输出环形光斑时为多横模，多模之间有模式竞争。相比MSM+ CCD毫秒级曝光时间、1秒测一次光斑看不见光斑模式振荡细节，SFM最高响应10m/s的扫描速度、1秒高达100次测量可以看见模式振荡细节。10次测量AFX Index 5光斑模式的焦点横向分布可以看见模式竞争的振荡细节，平均后（红色）振荡细节消失，环形光斑对应粉末床的平顶强度分布。

AFX Index 0（左）与 Index 5（右）两种模式加工剖面对比图，红线区表示固化熔融池范围，很明显环形光斑可以降低深度扩大面积

TUM慕尼黑技术大学测试了AFX不同模式对316L不锈钢的LPBF加工影响。采用300W功率 800mm/s的扫描速度。相比高斯光Index 0，环形光Index 5熔化池浅而宽效果更好，从而可以增加功率与扫描速度，加工效率由12mm/s (Index 0)大大提高到20mm/s (Index 5)。

结论：德国PRIMES公司的激光扫描场焦点分析仪SFM精密测量了恩耐AFX激光器非高斯光斑，测得的光斑强度平均分布非常接近于粉末床上沉积的能量分布。