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研究人員開發出點接入激光功率計實時監測激光功率

近期,研究人員開發出了一種高精度點接入激光功率計,它的主要工作部件是一種叫做智能鏡的折疊鏡,這一部件的使用讓實時原位測量激光功率成為可能。與大多數常規測量儀不同的是,智能鏡結構緊湊、速度快,可在激光加工制造過程中隨時報告激光功率,而無需中斷加工工作。


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圖中的器件便是監測系統的電容式壓力傳感器的原型,研究人員設計將它用于測量紅外波段中的1000 W激光器,最終其誤差將會不超過1%。
這個功率計的設計出自美國國家標準與技術研究院(NIST)的一個團隊,他們使用了一個基于電容的力傳感器,同時將高反射率的鏡面和傳感元件合并為一個緊湊的小型立方體封裝——一個側邊長為4厘米的可嵌入激光光學系統或激光焊接系統的立方體。
這面智能鏡的作用就像是一個功率量表,它將激光照射在鏡子上的作用效果與激光的功率(即亮度)聯系起來。目前,NIST的科學家們正在改進這些設備,以便將它們嵌入到基于激光的加工制造工具中,從而提高加工產品的性能和可靠性。
智能鏡激光功率計的工作原理在于它能測量激光的輻射壓力。當激光束照射到某個物體,如鏡面,具有一定動量的光束將會對鏡面施加一個微小的力,這個力稱為輻射壓力,它與激光功率有直接的關系。例如,一束200W功率的激光會產生相當于100微克的力。
研究人員使用智能鏡的電容式緊湊型力傳感器來計算輻射壓力,同時加上一個硅彈簧,硅彈簧支撐著一個圓形板,一面是高反射率鏡,另一面是電極。再把另一個帶有電極的相同彈簧靠近第一個彈簧放置,使得兩個電極彼此面對,形成可變電容器。
從第一個彈簧上的反射鏡反射出來的激光束將會導致該彈簧朝第二個彈簧移動,這樣便會改變兩個電極之間的電容。為了計算激光功率,研究人員使用固定的基準電容進行了比較實驗。另外,激光從鏡面反射后,可用于工作目的,這便允許系統實時監測激光功率或進行激光校準。
研究員 Alexandra B. Artusio-Glimpse說:“制造商可以在每次焊接過程中連續測量激光功率并實時監測激光的校準,只要激光器出現問題,技術工人能通過監測及時獲知,不會有焊接不良時浪費金屬部件的風險。”
早期一代的這種監測系統大小與鞋盒相當,測量靈敏度為50μg,響應時間為5秒,而使用了智能鏡的新一代系統,測量靈敏度提高了100倍,響應時間縮短了50倍。該團隊還成功地減輕了當設備旋轉時由重力引起的設備靜態下垂誤差,這些改進有利于研究人員將傳感器嵌入機器人手臂末端或者嵌入激光頭可以移動和旋轉的增材制造和激光焊接系統。
 初步測試的結果表明,新型測試儀足夠靈敏,可測量100 W的激光功率,測量的不確定性低于1%,而它的響應時間也比其他絕對高功率激光測量儀都快。目前,研究人員正繼續通過更多的測試來驗證這些結果。據研究員Artusio-Glimpse透露,NIST團隊有望在不久的將來建立出一個具有重要標準性能的新一代智能鏡激光功率計。
 Artusio-Glimpse還說:“通過測量激光束沖擊鏡面的壓力來測量激光功率是一種非常獨特的技術,迄今為止,它是唯一一種真正的原位激光功率測量技術,與其他光功率測量技術最大的不同是,我們的方法允許我們在測量的同時繼續使用激光工作。”
來源:中國儀表網

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