Ny energimåler åbner døren for in-situ, overvågning i realtid af lasere med høj effekt

Højeffektlasere bruges nu i vid udstrækning i additiv fremstilling og lasersvejsesystemer til præcist at skære og svejse metal, fremstilling af alle former for metaldele til medicinsk udstyr, rumfartsapplikationer, bilindustrien, og mere. Med stigningen i industriel brug af højeffektiv laserbehandling, producenter søger i stigende grad høj nøjagtighed, laser-effektmålere til brug, der hurtigt kan rapportere lasereffekter når som helst i fremstillingsprocessen-et vigtigt aspekt for at kontrollere produktkvaliteten. Traditionelle laser effektmålere, imidlertid, er ofte omfangsrige i størrelse og langsomme i responstid. Effektmålinger kan også kun tages separat, afbryde fremstillingsprocessen.

Nu, en gruppe forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder, Colorado, har udviklet en mindre, hurtigere og mere følsom lasereffektmåler i form af et foldespejl kalder de et "smart spejl". Det nye design bruger en kondensatorbaseret krafttransducer og fusionerer optiske elementer, nemlig et spejl med høj refleksivitet, og følerelementer til en kompakt terningspakke. De fire centimeter på en side-terninger kan bekvemt indlejres i laseroptiske systemer eller lasersvejsesystemer til brug, real-time laser effektmåling og kalibrering. Forskerne vil præsentere deres innovation på OSA Imaging and Applied Optics Congress, afholdes 25-28. juni i Orlando, Florida, Forenede Stater.

"Måling af lasereffekt ved at måle trykket fra en laserstråle, der rammer et spejl, er en meget unik teknik, [og] det er indtil videre den eneste lasereffektmålingsteknik, der virkelig er en in-situ proces, "sagde Alexandera B. Artusio-Glimpse, en videnskabsmand for NIST i Boulder, Colorado, og hovedforfatteren. "I modsætning til andre optiske effektmålingsteknikker, vores metode giver os mulighed for at fortsætte med at bruge laseren til arbejde, mens der foretages en måling. "

Artusio-Glimpse forklarede, at traditionelle højeffektmålere måler lasereffekt ved at absorbere al laserstrålens energi som varme og måle temperaturændringen. Den kalorimetriske måling skal midlertidigt stoppe laserstrålen fra arbejdet i omkring ti minutter.

"Ved hjælp af vores 'Smart Mirror' laserstrømmåler, at stop-mål-fortsæt proces ikke længere er nødvendig. Producenter kan måle lasereffekten kontinuerligt under hver svejsning og overvåge laserkalibreringen i realtid, de ville vide det med det samme, når laseren har et problem og ville ikke risikere at spilde metaldele med dårlige svejsninger, "Sagde Artusio-Glimpse.

Smart Mirror -laserstrømmåleren kaldes også en strålingstrykmåler (RPPM), da denne målers driftsprincip er baseret på måling af lasertrykket, strålingstrykket. Lys har ingen masse, men det har momentum, og når en laserstråle rammer et objekt, såsom et spejl, det vil udøve en lille kraft kendt som strålingstrykket på spejlet, som direkte vedrører laserkraften. 200 watt lasereffekt, for eksempel, udøver en kraft svarende til 100 mikrogram, hvilket er omtrent vægten af ​​en enkelt menneskelig øjenvipper.

Den centrale del af Smart Mirror-designet er en kondensatorbaseret kompakt krafttransducer. Den består af en spiralformet, siliciumfjeder, der understøtter en cirkulær plade med et spejl med høj reflektivitet på den ene side og en elektrode på den anden. En identisk siliciumfjeder med en elektrode placeres tæt på den første fjeder, således at de to elektroder vender mod hinanden, danner en variabel kondensator. En laserstråle, der reflekterer fra spejlet på den første fjeder, vil skubbe den første fjeder til at bevæge sig mod den anden og ændre kapacitansen mellem de to elektroder. Ved at sammenligne med en fast referencekondensator, forskerne kan beregne strålingstrykket og lasereffekten. Efter at have reflekteret fra spejlet, laserstrålen kan bruges direkte til arbejde, muliggør overvågning i realtid af laserstrøm eller laserkalibrering.

Ifølge Artusio-Glimpse, teamet har udviklet den nye strålingstryksmåler i årevis, og en tidligere version af RPPM anvendte en kommercielt tilgængelig skala med en spejlet overflade som en krafttransducer. Det endelige system var på størrelse med en skokasse, med en målefølsomhed på 50 mikrogram og responstid på fem sekunder.

I den nye version af Smart Mirror, forskerne forbedrede målefølsomheden med 100 gange og reducerede svartiden med 50 gange. De formindskede også statiske saggingfejl på enheden forårsaget af tyngdekraften, når enheden roteres. Dette gør det muligt for sensoren at blive indlejret i slutningen af ​​en robotarm eller i additiv fremstillings- og lasersvejsesystemer, hvor laserhovedet vil bevæge sig og rotere - en nøglefunktion, som den tidlige version bulk RPPM mangler. Det opfylder også målekravene for mange kommercielt betydningsfulde applikationer.

Baseret på foreløbige tests, den nye måler er følsom nok til at måle 100 watt lasereffekt med ikke mere end en procent usikkerhed, og med en responstid hurtigere end nogen anden absolut højeffektiv lasermåler. Forskerne fortsætter nu med at validere disse resultater med flere tests. Artusio-Glimpse sagde, at NIST-teamet forventer at etablere en primær standardversion af Smart Mirror-laserstrømmåleren i den nærmeste fremtid.