SFM激光振鏡掃描場焦點(diǎn)分析儀采用刻有10~15微米厚測量線玻璃板的技術(shù)表征激光光束特性,，光電二極管探測刻線的散射光來測量激光光斑

在增材制造工業(yè)領(lǐng)域恩耐AFX－1000環(huán)形光斑激光器越來越受到關(guān)注,。德國PRIMES公司的激光掃描場焦點(diǎn)分析儀 ScanFieldMonitor（SFM）設(shè)計(jì)用于監(jiān)測激光振鏡掃描系統(tǒng)狀態(tài)以及維持增材制造3D打印加工質(zhì)量,，榮獲AKL 2022激光技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng),。本文展示了SFM對AFX－1000激光器不同模式光斑的一系列測量,，揭示了SFM觀察到的模式振蕩的來源,，光斑分布結(jié)果與激光粉末床熔合LPBF加工效果一致,。

恩耐AFX－1000是一款在光纖內(nèi)部進(jìn)行光斑調(diào)整的kW激光器，可自由切換14μm單模纖芯高斯光和40μm多模環(huán)形光等7種模式,，無需多余的光學(xué)鏡組,。以增材制造應(yīng)用為研發(fā)初衷，AFX在環(huán)形光斑模式下能夠穩(wěn)定熔池,，減少煙塵和飛濺,，提高材料的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。離散型的設(shè)計(jì)理念可實(shí)現(xiàn)每秒30次的極速光斑切換,，為因熔化與凝固比例問題,、微觀物理特性與熱應(yīng)力所導(dǎo)致的零部件失效提供了全新的解決方案。AFX光纖激光器在環(huán)形光斑模式下加工致密材料（致密度＞99.5％）的速度已超過每小時(shí)100立方厘米,。

SFM可在3秒內(nèi)測量功率10W~1500W激光掃描場50μm~500μm聚焦光斑的直徑,、位置、掃描速度,，峰值功率密度可高達(dá)100MW/cm2

德國PRIMES公司的激光掃描場焦點(diǎn)分析儀SFM是一款多功能一體化的激光光束診斷設(shè)備,。這項(xiàng)研發(fā)是由增材制造選擇性激光熔化SLM或激光粉末床熔合LPBF的許多新應(yīng)用而推動(dòng)的。SFM分析儀可在整個(gè)掃描場范圍測量激光焦點(diǎn)參數(shù)：光斑直徑,、位置,、掃描速度,；還可以確定枕形失真,、重疊掃描場的合并、焦點(diǎn)偏移以及激光的開啟和關(guān)閉延遲,、熱透鏡檢查等時(shí)間分辨分析,；并且能實(shí)現(xiàn)LDS軟件遠(yuǎn)程控制，從而使用戶能夠更好地校準(zhǔn)激光3D打印機(jī),。

AFX－1000的7種Index光斑模式（MSM+測出焦點(diǎn)二維光斑及橫向分布）,，SFM測出焦點(diǎn)橫向分布（多次平均后的） 

PRIMES MSM+ CCD型微細(xì)焦點(diǎn)分析儀功能完善，測出AFX－1000的7種Index焦點(diǎn)二維光斑及橫向分布作為標(biāo)準(zhǔn)（500W靜止光）,。PRIMES SFM測量AFX－1000 500W 1m/s掃描加工速度下的焦點(diǎn)橫向分布,，很接近MSM+的測量結(jié)果，測得的光斑直徑與MSM+測量結(jié)果一致,，誤差在3%以內(nèi),。SFM測量頭8×8×10厘米，相比MSM+體積小40倍,，性價(jià)比更高,，能直接測量掃描加工速度下的運(yùn)動(dòng)光，入射角度最高可達(dá)20度,，可以在整個(gè)掃描區(qū)域測量,，更適合3D打印激光測量,。

SFM測量AFX－1000 Index 5光斑經(jīng)過10次平均后的焦點(diǎn)橫向分布，10次測量可以看見光斑模式振蕩的細(xì)節(jié),，平均（紅色）后振蕩細(xì)節(jié)消失 

AFX輸出環(huán)形光斑時(shí)為多橫模,，多模之間有模式競爭。相比MSM+ CCD毫秒級曝光時(shí)間,、1秒測一次光斑看不見光斑模式振蕩細(xì)節(jié),，SFM最高響應(yīng)10m/s的掃描速度、1秒高達(dá)100次測量可以看見模式振蕩細(xì)節(jié),。10次測量AFX Index 5光斑模式的焦點(diǎn)橫向分布可以看見模式競爭的振蕩細(xì)節(jié),，平均后（紅色）振蕩細(xì)節(jié)消失，環(huán)形光斑對應(yīng)粉末床的平頂強(qiáng)度分布,。

AFX Index 0（左）與 Index 5（右）兩種模式加工剖面對比圖,，紅線區(qū)表示固化熔融池范圍，很明顯環(huán)形光斑可以降低深度擴(kuò)大面積

TUM慕尼黑技術(shù)大學(xué)測試了AFX不同模式對316L不銹鋼的LPBF加工影響,。采用300W功率 800mm/s的掃描速度,。相比高斯光Index 0，環(huán)形光Index 5熔化池淺而寬效果更好,，從而可以增加功率與掃描速度,，加工效率由12mm/s (Index 0)大大提高到20mm/s (Index 5)。

結(jié)論：德國PRIMES公司的激光掃描場焦點(diǎn)分析儀SFM精密測量了恩耐AFX激光器非高斯光斑,，測得的光斑強(qiáng)度平均分布非常接近于粉末床上沉積的能量分布,。