«Если вы сегодня позвонили по междугороднему телефону или отправили электронное письмо, или если вы носите одежду, значит, вы получаете прямую выгоду от наших лазерных услуг», - говорит Марла Доуэлл, руководитель отдела источников и информации PML. Detectors Group, национальный производитель семейства стандартов, которые теперь разрешают калибровку лазеров на уровнях мощности от нановатт до сотен киловатт и уровнях энергии от фемтоджоулей до мегаджоулей.
Точные измерения в верхней части этой шкалы, 10 кВт и выше, были практически невозможны до недавнего времени, когда исследователи NIST изобрели новый измеритель мощности для лазеров в этом диапазоне. И теперь команда увеличила масштаб устройства, чтобы обрабатывать лучи в 10 раз сильнее.
Такие измерения представляют срочный интерес для мировой лазерной промышленности - и, в частности, для ведущей в мире лазерной промышленности США - потому что лазеры используются для резки и сварки широкого спектра материалов, от стали и алюминия для автомобилей и самолетов до тканей и пластмасс, и для сверления крошечных отверстий в таких устройствах, как iPhone. Такие приложения и многочисленные военные применения, такие как обезвреживание неразорвавшихся наземных мин, требуют точного знания выходной мощности лазера.
Кроме того, есть финансовые соображения. «Производители промышленных лазеров обычно оценивают свою продукцию в зависимости от мощности, - говорит Доуэлл, - а средняя стоимость составляет около 50 000 долларов за киловатт. Так что разница между 10 и 9 кВт большая. Покупатели хотят знать выходную мощность с точностью до процента.
«Но есть серьезная проблема: лазер, достаточно мощный, чтобы резать, может повредить обычное измерительное оборудование». Таким образом, группа Доуэлла в отделе квантовой электроники и фотоники PML уже давно работает над устройством следующего поколения, которое могло бы справиться с этой задачей. В результате, благодаря опытным исследователям Крису Кромеру, Сяоюй Ли и Джону Леману, получился высокотехнологичный измеритель оптической мощности с проточной водой для измерения выходных сигналов при знакомых промышленных уровнях мощности - а теперь и колоссальных интенсивностей, необходимых для использования в военных целях.
«Прямо сейчас, - говорит Кромер, - среди измерителей мощности, которые мы создаем для ВВС, есть один для очень мощных лазеров до 100 кВт». Для сравнения: промышленный лазер мощностью в одну десятую этой мощности прорезает углеродистую сталь. Таким образом, высокий порог повреждения, около 10 кВт / см2, был абсолютно необходимой целью при проектировании. Зеркало, которое находится в задней части каждого измерителя мощности, отражает входной луч по всей полости. Каждое зеркало изготавливается только для одной определенной длины волны, чтобы минимизировать поглощение зеркала.
Новый измеритель высокой мощности NIST может выдерживать до 100 кВт и более. Он имеет такую же обманчиво простую конструкцию, что и агрегаты на 10 кВт. Лазерный свет попадает в конусообразную полость, покрытую слоем с текстурой наждачной бумаги с высоким поглощением. Зеркало (специально адаптированное к определенной длине волны входящего луча, чтобы минимизировать поглощение зеркала), установленное в задней части устройства, отражает входящий луч по всей его внутренней части.
Полость окружена медным кожухом с полыми стенками, через который вода из резервуара емкостью 100 галлонов течет с тщательно контролируемой скоростью - 10 литров в минуту на устройствах 10 кВт, 80 литров в минуту на модели 100 кВт. Кромер и его коллеги измеряют разницу температур между входящей и выходящей водой. Это число вместе с расходом и теплоемкостью воды является чувствительной мерой мощности. (Увеличивая скорость потока, исследователи ожидают, что в будущем они смогут проводить измерения потенциально вплоть до уровня мощности в гигаватт).
Поиск подходящего материала для покрытия внутренней части полости потребовал длительного и сложного исследовательского процесса, возглавляемого Lehman. Команда хотела воспользоваться преимуществами глубокой черноты и устойчивости углеродных нанотрубок к повреждениям, а также термостойкостью керамики. Но композитное покрытие нанотрубка-керамика не прилипнет к меди. Возможное решение Lehman заключалось в измельчении керамического материала нанотрубок в порошок и смешивании его со связующим из силиката калия («жидкое стекло»), которое не влияло на высокий порог повреждения. Покрытие, наносимое распылением, которое является мировым рекордом по порогу повреждения в таких областях применения, легко наносится и отличается высокой прочностью.
Конечно, старый измеритель мощности NIST также был основан на поглощении луча и калориметрии воды. Но на этом сходство заканчивается. Старый агрегат весит около 600 фунтов и имеет длину 1,5 метра. Новая версия на 10 кВт размером с пляжный мяч и вдвое точнее. Даже агрегат на 100 кВт меньше посудомоечной машины. Более того, Дауэлл говорит: «Мы можем проводить измерения в режиме реального времени, тогда как в предыдущей системе вы могли проводить измерения только каждые 20 минут или около того».
Еще одно преимущество состоит в том, что новая система полностью переносима в паре высокотехнологичных ящиков размером с собачью будку: одна для насоса и расходомера, а другая - для входов датчиков и анализа данных. Один человек может легко их передвинуть.
«Старая система была построена около 35 лет назад. Его нужно было возить на собственном индивидуальном грузовике, и на его настройку ушел почти день », - говорит Кромер. «Но новую модель легко доставить, и она может быть запущена в эксплуатацию за час». Система не требует специально очищенной воды. «Мы обнаружили, что обычной питьевой воды вполне достаточно до уровня 0,1%, что является абсолютной точностью этого прибора, - говорит Кромер, - хотя общая точность составляет около 1%».
Любой прогресс в способности определять характеристики лазерного излучения имеет потенциально большое экономическое значение. «В то время как большинство производственных секторов США в 2009 году пострадали, - говорит Доуэлл, - темпы роста в секторе промышленной лазерной обработки материалов к 2010 году исчислялись двузначными числами». По данным журнала Laser Focus World, глобальная выручка от продажи лазерных устройств только в 2011 году увеличилась на 17% и составила около 7,5 миллиардов долларов.
По словам Доуэлла, хотя новый измеритель мощности является большим достижением, измерение мощности - лишь одна из нескольких проблем, волнующих лазерную промышленность. «Есть еще проблема яркости. Яркий лазер подобен острому режущему инструменту. Но в настоящее время NIST не имеет возможности измерять яркость или профиль луча при высокой мощности и энергии. Для многих лазеров точное знание яркости имеет решающее значение для классификации лазерной безопасности ».
Кроме того, по ее словам, «форма и продолжительность лазерного импульса - это разница между разрезом и сваркой. Мощные волоконные лазеры с диодной накачкой меняют роль лазеров в производстве. Однако в настоящее время в NIST отсутствует инфраструктура для определения параметров мощных импульсов ». (Существующие измерители мощности ограничены примерно 4 кВт или меньше.) Команда измерителей мощности тесно сотрудничает с Джоном Брэди и Ричардом Боулингом из Программы метрологии и калибровки ВВС по военному заказу. Когда эта работа будет завершена, говорит Доуэлл, «мы хотим создать устройства для NIST, чтобы мы могли установить наши собственные внутренние стандарты».
