Это зеркало представляет собой силовую шкалу, которая связывает силу лазера, светящего на него, с мощностью этого лазера. Ученые NIST разрабатывают эти устройства для встраивания в лазерные производственные инструменты для повышения производительности и надежности. Устройство на этом рисунке является прототипом их емкостного датчика давления, предназначенного для измерения лазеров мощностью 1000 Вт в инфракрасном диапазоне с погрешностью более 1%. Следующим этапом создания подобных устройств станут стандартные эталонные приборы, которые сообщают об абсолютной мощности любого цветного лазера от 1 мВт до 100 кВт. Предоставлено: A. ArtusioGlimpse / NIST. 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, которые могут быстро регистрировать мощность 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 складного 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 размером четыре сантиметра на стороне 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 большой 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. 200 Вт мощности лазера, например,
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 обувную коробку, 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, что является ключевой особенностью, 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 лазера в 100 Вт с погрешностью не более одного процента и с временем 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.
