光学系统主要由激光器、扩束镜、振镜扫描系统和聚焦系统等构成，如图5-5所示。

SLM设备主要采用光纤激光器，激光器产生的光，可在柔性光纤中传输，在光纤内传输时，光损耗小。在出光口处有光隔离器，光隔离器的作用是防止激光作用在材料上时，反射光对激光器造成损害。而激光在成形缸基准平面的运动主要是扫描振镜的驱动。为了减小激光入射发射角，以获得更小的聚焦光斑，一般情况下需要将激光扩束准直。激光扩束后，激光作用在扫描振镜上的面积更大，从而使能量密度减少，减轻对镜片的损伤。激光扩束后，经扫描振镜的驱动，光束可能发生枕形畸变，此时需要经过f-θ镜校准聚焦。

图5-5　光学系统示意

1.激光器

激光器是SLM设备提供能量的核心功能部件，直接决定SLM零件的成形质量。光束直径内的能量呈高斯分布。光纤激光器指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。图5-6所示为光纤激光器结构示意图，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从反射镜M1入射到光纤中，从反射镜M2输出激光。光纤激光器具有工作效率髙、使用寿命长和维护成本低等特点。其主要工作参数有激光功率、激光波长、激光光斑、光束质量等。

图5-6　光纤激光器结构示意

2.扩束镜

SLM的成形原理要求粉末材料要完全熔化后再成形，因此这就需要较小的光斑尺寸和极大的激光能量密度。为此，需要先通过扩束镜将发散的激光全部矫正为准直平行光，然后通过聚焦透镜来调整获得高能量密度的光斑。

扩束镜可以使激光束的直径扩大，使激光束的发散角减小。扩束镜的结构原理如图5-7所示，它由一个输入负透镜和一个输出正透镜组成，远处一虚焦点的光束经过输入负透镜，输送给和它共焦的输出透镜，这种结构的扩束镜可获得约20倍的放大倍率。

图5-7　扩束镜工作原理

3.振镜扫描系统

SLM成形致密金属零件要求成形过程中固液界面连续，这就要求扫描间距更为精细。因此，所采用的扫描策略数据较多，数据处理量大，要求振镜系统的驱动卡对数据处理能力强、反应速度快。振镜扫描系统示意如图5-8所示。入射激光束经过两片镜片（扫描镜1和扫描镜2）反射，实现激光束X、Y平面内的运动。扫描镜1和扫描镜2分别由相应检流计1和检流计2控制并偏转。检流计1驱动扫描镜1，使激光束沿Y轴方向移动；检流计2驱动扫描镜2，使激光束被反射且沿X轴方向移动。两片扫描镜的联动，可实现激光束在XY平面内的复杂曲线运动轨迹。

4.聚焦系统(www.daowen.com)

常用的聚焦系统包括动态聚焦系统和静态聚焦系统。动态聚焦是通过电动机驱动负透镜沿光轴移动实时补偿聚焦误差的。所采用的动态聚焦系统由聚焦物镜、负透镜、水冷孔径光阑及空冷模块等组成，其结构如图5-9（a）所示。静态聚焦镜为f-θ镜，如图5-9（b）所示，而非一般光学透镜。对于一般光学透镜，当准直激光束经过反射镜和透射镜后聚焦于像场，其理想像高y与入射角的正切成正比，因此，以等角速度偏转的入射光在像场内的扫描速度不是常数。为实现等速扫描，使用f-θ镜可以获得y＝f·θ关系式，即扫描速度与等角速度偏转的入射光呈线性变化。

图5-8　振镜扫描系统示意

图5-9　聚焦系统结构示意

（a）三维动态聚焦；（b）二维f-θ镜静态聚焦

5.保护镜

保护镜起到隔离成形腔与激光器、振镜等光学器件的作用，防止粉尘对光学器件的影响。选择保护镜时要考虑减少特定波长激光能量通过保护镜时的损耗。目前大部分光纤激光器生产商将光隔离器内置激光器，一般选择透射波长为1 000 nm左右的保护镜片，同时还应考虑耐温性能。激光穿透镜片会有部分能量被吸收产生热量，如果SLM成形时间较长，其热积累有可能会损坏镜片。

在光学系统中，聚焦光斑大小的理论值为

式中，dmin为理论光斑最小值，f为透镜焦距，D0为激光束经过扩束前的束腰直径，λ为光纤激光波长，M为光束质量因子，n为扩束倍数。

在实际加工过程中，激光束的光斑直径往往要大于理论值，主要原因包括：

（1）在光路调试时，聚焦焦点不在基准平面上，此时具有一定离焦量，无论激光光斑是正离焦，还是负离焦，激光光斑都会变大。

（2）激光周围存在能量热影响区，使得测量值偏大。

（3）光路系统中扩束镜或光隔离器等位置有偏差。