Лазеры играют важную роль во многих производственных процессах, от сварки деталей автомобилей до изготовления компонентов двигателей с помощью 3D-принтеров. Чтобы управлять этими задачами, производители должны гарантировать, что их лазеры стреляют с правильной мощностью.
Но на сегодняшний день не существует способа точно измерить мощность лазера во время производственного процесса в реальном времени, например, когда лазеры режут или плавят объекты. Без этой информации некоторым производителям, возможно, придется тратить больше времени и денег на оценку того, соответствуют ли их детали производственным спецификациям после производства.
Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали датчик мощности лазера, который можно было бы встроить в производственные устройства для измерений в реальном времени. Они представляют результаты своего последнего прототипа в октябрьском выпуске журнала IEEE Sensors за 2018 год.
Новое устройство работает так же, как и предыдущий датчик, созданный командой, который использует радиационное давление или силу, которую свет оказывает на объект. Но в отличие от их более старого устройства - измерителя мощности радиационного давления (RPPM) размером с обувную коробку для сверхмощных лазеров в тысячи ватт - «умное зеркало» размером с кристалл предназначено для лазеров мощностью в сотни ватт, диапазон, обычно используемый для производственные процессы.
«Это по-прежнему измеритель мощности радиационного давления, но он намного меньше и намного быстрее», - сказал Джон Леман из NIST. Интеллектуальное зеркало также примерно в 40 раз более чувствительно, чем RPPM.
В производственных процессах, в которых потенциально может использоваться эта новая технология, есть все, от самолетов и автомобилей до мобильных телефонов и медицинских устройств. Интеллектуальное зеркало также может быть интегрировано в машины, используемые в аддитивном производстве, типе 3D-печати, при котором объект создается слой за слоем, часто с использованием лазера для плавления материалов, из которых формируется объект.
Когда-нибудь, говорят исследователи, эти крошечные счетчики могут быть в каждой машине для аддитивного производства и в каждой лазерной сварочной головке.
«Это предоставит высокую точность измерений мощности NIST непосредственно в руки операторов, обеспечивая стандартизированную гарантию качества для лазерных систем и помогая ускорить процесс аттестации деталей», что гарантирует соответствие произведенных объектов техническим спецификациям, - сказала Александра из NIST. Б. Артузио-Взгляд.
Новое против старого
Обычные методы измерения мощности лазера требуют устройства, которое поглощает всю энергию луча в виде тепла. Измерение изменения температуры позволяет исследователям рассчитать мощность лазера.
Проблема с этим традиционным методом заключается в том, что если для измерения требуется поглощение всей энергии лазерного луча , производители не могут измерить луч, пока он фактически используется для чего-то.
Радиационное давление решает эту проблему. У света нет массы, но у него есть импульс, который позволяет ему создавать силу при попадании на объект. Лазерный луч мощностью 1 киловатт (кВт) имеет небольшую, но заметную силу - около веса песчинки.
Посветив лазерным лучом на отражающую поверхность, а затем измерив, насколько поверхность движется в ответ на давление света, исследователи могут как измерить силу лазера (и, следовательно, его мощность), так и непосредственно использовать свет, отражающийся от поверхности. для производственных работ.
Как это устроено
Предыдущий RPPM команды NIST для пучков мощностью в несколько кВт работал, направляя лазер, по сути, на лабораторные весы, которые подавляются при попадании на них света. Но это устройство слишком велико, чтобы его можно было интегрировать в сварочные головки или 3D-принтеры. Исследователям также нужна была система, которая была бы более чувствительной к значительно меньшим силам, используемым в повседневных производственных процессах .
Вместо лабораторных весов новое «умное зеркало» работает, по сути, как конденсатор, устройство, накапливающее электрический заряд. Датчик измеряет изменения емкости между двумя заряженными пластинами, каждая размером примерно в полдоллара.
Верхняя пластина покрыта зеркалом с высокой отражающей способностью, называемым распределенным отражателем Брэгга, в котором используются чередующиеся слои кремния и диоксида кремния. Лазерный свет, попадающий на верхнюю пластину, передает силу, которая заставляет эту пластину приближаться к нижней пластине, что изменяет емкость, ее способность накапливать электрический заряд. Чем выше мощность лазера, тем больше сила на верхней пластине.
Лазерный свет в диапазоне, используемом для производства - в диапазоне сотен ватт - недостаточно мощный, чтобы переместить пластину очень далеко. Это означает, что любые физические вибрации в комнате могут привести к тому, что верхняя пластина будет двигаться таким образом, что уничтожит крошечный сигнал, который она предназначена для измерения.
Поэтому исследователи NIST сделали свой датчик нечувствительным к вибрации. И верхняя, и нижняя пластины прикреплены к устройству с помощью пружин. Окружающие воздействия, такие как вибрация, если кто-то закрывает дверь в комнате или проходит мимо стола, заставляют обе пластины двигаться в тандеме. Но сила, действующая только на верхнюю пластину, заставляет ее двигаться независимо.
«Если устройство физически перемещается или вибрирует, обе пластины перемещаются вместе», - сказал Леман. «Таким образом, результирующая сила - это строго радиационное давление , а не какое-либо влияние окружающей среды».
Используя эту технику, датчик может производить точные измерения мощности в реальном времени для лазеров мощностью в сотни ватт при уровне фонового шума всего 2,5 Вт.
«Я просто удивлен, насколько хорошо это работает. Я очень рад этому», - сказал Леман. «Если бы вы сказали мне два года назад, что мы сделаем это, я бы сказал:« Ни за что! »»
Прямо сейчас прототип датчика прошел испытания при мощности лазера 250 Вт. При дальнейшей работе этот диапазон, вероятно, расширится примерно до 1 кВт на верхнем уровне и ниже 1 Вт на нижнем. Lehman и его коллеги также работают над повышением чувствительности и стабильности устройства.
