滨松700W空间光调制器助力激光粉末床熔融（LPBF）加工技术

图1 .激光增材制造应用

激光加工增材制造，尤其是激光粉末床熔融(LPBF)，是一种先进的制造技术，它使用激光束作为能量源，将金属粉末等材料精确熔化并逐层堆积，以构建三维物体。这项技术具有高精度、高灵活性和能够制造复杂几何形状的优点，在航空航天、医疗、汽车等多个领域有着广泛的应用前景。

在传统的LPBF工艺中，高斯分布的激光束虽然广泛使用，但其存在明显的缺点。1)由于光束中心的功率过高，在熔池内会有较大的温度梯度，容易导致局部过热和材料蒸发，进而导致气孔、毛刺等缺陷产生，从而导致表面粗糙度提高，加工的产品内部应力大，寿命短。2)能量利用率低，高斯光束的边缘能量强度较低，这意味着大量的激光能量没有被有效利用。3)工艺窗口窄，由于熔池不稳定性，高斯光束对工艺参数的敏感度较高，工艺窗口较窄。

图2.不同光束形状对金属(铝合金)温度场和熔池截面的影响。

近日，弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT)在激光粉末床融合(LPBF)领域的一项新研究——灵活的光束整形平台，该平台使用了2000W的高功率激光器以及集成了滨松LCoS-SLM(液晶硅基空间光调制器)技术，通过改变激光的波前，从而改变光束的强度分布，能够生成几乎任何形状的光束，以适应不同的LPBF加工需求。另外该技术还提到通过空间光调制器灵活的调控技术，可以减少材料蒸发、减少飞溅形成、减少熔池湍流、平滑熔道表面以及通过调整熔道几何形状来提高工艺效果。

图3.滨松高功率LCoS-SLM;右图为通过LCoS-SLM调制后产生的光束轮廓，(由Fraunhofer ILT, Aachen, Germany 提供)。

图4.光束经过LCoS-SLM反射后的光束强度重新分布的结果，左边为初始相位，右边为目标相位，(由Fraunhofer ILT, Aachen, Germany 提供)。

目前基于LCoS-SLM的光束整形技术还处于研究的初级阶段，但已经展现出了对LPBF工艺的巨大影响。随着对LPBF过程机制的深入理解以及技术的不断进步，未来光束整形技术有望在工业领域得到更广泛的应用。同时，它也将推动激光加工增材制造技术的进一步发展，为制造业带来更多的创新和突破。

滨松700W空间光调制器

2023年11月时候，滨松隆重推出了业界首款蓝宝石LCOS-SLM，该款LCOS-SLM专为激光增材制造量身制定开发，其平均功率阈值高达到700W以上，实测平均功率密度超过3127W/cm2。

图5.左图为科研款X15213-03CL产品，右图为板级款X15223-03CL产品。两者光学参数完全一致，区别在于封装和电控上。

图6.滨松X152x3-03CL产品实测结果

实测结果图如上，通过一个随机偏振功率可调的1000W高功率光纤激光器给SLM液晶头加热，同时一个线偏振的低功率50mW的激光打在SLM液晶头上，对该低功率激光进行调制，测试LUT值，可见SLM承受平均功率达到743W，平均功率密度达到3127W/cm2以上，调制器的LUT值无明显变化。

审核编辑 黄宇