В настоящее время мощные лазеры широко используются в аддитивном производстве и системах лазерной сварки для точной резки и сварки металла, изготовления всех видов металлических деталей для медицинских устройств, аэрокосмической промышленности, автомобильной промышленности и т. Д. С ростом промышленного использования мощной лазерной обработки производители все чаще ищут высокоточные измерители мощности лазера в точке использования, которые могут быстро сообщать о мощности лазера в любой момент производственного процесса, что является жизненно важным аспектом для контроля качества продукции. Однако традиционные измерители мощности лазера часто бывают громоздкими по размеру и имеют малое время отклика. Измерения мощности также можно проводить только отдельно, прерывая производственный процесс.
Теперь группа исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо, разработала меньший, более быстрый и более чувствительный измеритель мощности лазера в виде складывающегося зеркала, которое они называют «умным зеркалом». В новой конструкции используется конденсаторный преобразователь силы, оптические элементы, а именно зеркало с высокой отражательной способностью, и чувствительные элементы объединены в компактный кубический корпус. Кубики со стороной четыре сантиметра могут быть удобно встроены в лазерные оптические системы или системы лазерной сварки для измерения и калибровки мощности лазера на месте использования в реальном времени. Исследователи представят свои инновации на Конгрессе OSA Imaging and Applied Optics, который состоится 25-28 июня в Орландо, Флорида, США.
«Измерение мощности лазера путем измерения давления лазерного луча, падающего на зеркало, - это очень уникальный метод, [и] до сих пор это единственный метод измерения мощности лазера, который действительно выполняется на месте», - сказала Александера Б. Артузио. Глимпс, ученый из NIST в Боулдере, Колорадо, и главный автор. «В отличие от любых других методов измерения оптической мощности, наш метод позволяет нам продолжать использовать лазер для работы во время измерения».
Artusio-Glimpse объяснил, что традиционные измерители высокой мощности измеряют мощность лазера, поглощая всю энергию лазерного луча в виде тепла и измеряя изменение температуры. Калориметрическое измерение должно временно останавливать работу лазерного луча примерно на десятки минут.
«С помощью нашего измерителя мощности лазера« Умное зеркало »этот процесс остановки-измерения-продолжения больше не нужен. Производители могут непрерывно измерять мощность лазера во время каждой сварки и отслеживать калибровку лазера в режиме реального времени, они будут знать сразу, когда лазер есть проблема, и он не рискнет тратить металлические детали из-за плохих сварных швов », - сказал Artusio-Glimpse.
Измеритель мощности лазера Smart Mirror также называется измерителем мощности давления излучения (RPPM), поскольку принцип работы этого измерителя основан на измерении давления лазера, давления излучения. У света нет массы, но у него есть импульс, и когда лазерный луч попадает на объект, такой как зеркало, он оказывает на зеркало крошечную силу, известную как давление излучения, которая напрямую связана с мощностью лазера. Например, 200 Вт мощности лазера создают силу, эквивалентную 100 микрограмм, что примерно равно весу одной человеческой ресницы.
Ключевой частью конструкции Smart Mirror является компактный датчик силы на основе конденсатора. Он состоит из спиральной плоской кремниевой пружины, поддерживающей круглую пластину с зеркалом с высокой отражательной способностью с одной стороны и электродом с другой. Идентичная силиконовая пружина с электродом помещается рядом с первой пружиной так, что два электрода обращены друг к другу, образуя переменный конденсатор. Лазерный луч, отражающийся от зеркала на первой пружине, толкает первую пружину, перемещаясь по направлению ко второй, и изменяет емкость между двумя электродами. Сравнивая с фиксированным эталонным конденсатором, исследователи могут рассчитать давление излучения и мощность лазера. После отражения от зеркала лазерный луч можно использовать непосредственно для работы, что делает возможным мониторинг мощности или калибровку лазера в реальном времени.
Согласно Artusio-Glimpse, команда разработчиков в течение многих лет разрабатывала новый измеритель мощности радиационного давления, а в более ранней версии RPPM использовались коммерчески доступные шкалы с зеркальной поверхностью в качестве датчика силы. Окончательная система была размером с коробку из-под обуви, с чувствительностью измерения 50 микрограммов и временем отклика 5 секунд.
В новой версии Smart Mirror исследователи улучшили чувствительность измерения в 100 раз и уменьшили время отклика в 50 раз. Они также уменьшили статическое провисание устройства, вызванное силой тяжести при вращении устройства. Это позволяет встраивать датчик в конец манипулятора робота или в системы аддитивного производства и лазерной сварки, где лазерная головка будет двигаться и вращаться - ключевая особенность, которой не хватает в ранней версии объемного RPPM. Он также отвечает требованиям к измерениям во многих коммерчески значимых приложениях.
По результатам предварительных испытаний, новый измеритель достаточно чувствителен, чтобы измерять мощность лазерной сварки в 100 Вт с погрешностью не более одного процента, а время отклика - быстрее, чем у любого другого лазерного измерителя абсолютной высокой мощности. В настоящее время исследователи продолжают подтверждать эти результаты с помощью дополнительных тестов. Artusio-Glimpse сказал, что команда NIST планирует в ближайшем будущем создать первичную стандартную версию измерителя мощности лазера Smart Mirror.
