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使用点接入功率计可以实时监测高功率激光器

发布:optics1    |    2018-06-12 23:35    阅读:771
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来自美国科罗拉多州博尔德的报道,2018年6月11日

近期,研究人员开发出了一种高精度点接入激光功率计,它的主要工作部件是一种叫做智能镜的折叠镜,这一部件的使用让实时原位测量激光功率成为可能。与大多数常规测量仪不同的是,智能镜结构紧凑、速度快,可在激光加工制造过程中随时报告激光功率,而无需中断加工工作。

这个功率计的设计出自美国国家标准与技术研究院(NIST)的一个团队,他们使用了一个基于电容的力传感器,同时将高反射率的镜面和传感元件合并为一个紧凑的小型立方体封装——一个侧边长为4厘米的可嵌入激光光学系统或激光焊接系统的立方体。

这面智能镜的作用就像是一个功率量表,它将激光照射在镜子上的作用效果与激光的功率(即亮度)联系起来。目前,NIST的科学家们正在改进这些设备,以便将它们嵌入到基于激光的加工制造工具中,从而提高加工产品的性能和可靠性。

图1 图中的器件便是监测系统的电容式压力传感器的原型,研究人员设计将它用于测量红外波段中的1000 W激光器,最终其误差将会不超过1%。类似设备的下一研发阶段将会是能检测从1mW到100kW功率的任何彩色激光绝对功率的标准参考仪器。在此致谢提供图片的NIST团队和研究员Artusio-Glimpse

智能镜激光功率计的工作原理在于它能测量激光的辐射压力。当激光束照射到某个物体,如镜面,具有一定动量的光束将会对镜面施加一个微小的力,这个力称为辐射压力,它与激光功率有直接的关系。例如,一束200W功率的激光会产生相当于100微克的力。

研究人员使用智能镜的电容式紧凑型力传感器来计算辐射压力,同时加上一个硅弹簧,硅弹簧支撑着一个圆形板,一面是高反射率镜,另一面是电极。再把另一个带有电极的相同弹簧靠近第一个弹簧放置,使得两个电极彼此面对,形成可变电容器。

从第一个弹簧上的反射镜反射出来的激光束将会导致该弹簧朝第二个弹簧移动,这样便会改变两个电极之间的电容。为了计算激光功率,研究人员使用固定的基准电容进行了比较实验。另外,激光从镜面反射后,可用于工作目的,这便允许系统实时监测激光功率或进行激光校准。

研究员 Alexandra B. Artusio-Glimpse说:“制造商可以在每次焊接过程中连续测量激光功率并实时监测激光的校准,只要激光器出现问题,技术工人能通过监测及时获知,不会有焊接不良时浪费金属部件的风险。”

早期一代的这种监测系统大小与鞋盒相当,测量灵敏度为50μg,响应时间为5秒,而使用了智能镜的新一代系统,测量灵敏度提高了100倍,响应时间缩短了50倍。该团队还成功地减轻了当设备旋转时由重力引起的设备静态下垂误差,这些改进有利于研究人员将传感器嵌入机器人手臂末端或者嵌入激光头可以移动和旋转的增材制造和激光焊接系统。

初步测试的结果表明,新型测试仪足够灵敏,可测量100 W的激光功率,测量的不确定性低于1%,而它的响应时间也比其他绝对高功率激光测量仪都快。目前,研究人员正继续通过更多的测试来验证这些结果。据研究员Artusio-Glimpse透露,NIST团队有望在不久的将来建立出一个具有重要标准性能的新一代智能镜激光功率计。

Artusio-Glimpse还说:“通过测量激光束冲击镜面的压力来测量激光功率是一种非常独特的技术,迄今为止,它是唯一一种真正的原位激光功率测量技术,与其他光功率测量技术最大的不同是,我们的方法允许我们在测量的同时继续使用激光工作。”

该研究将于6月28日上午10:30在OSA成像与应用光学大会上发布,而该大会也将于2018年6月25日至28日在佛罗里达州奥兰多举办。

来源: https://www.photonics.com/a63531/Point-of-Use_Power_Meter_Can_Monitor_High-Power

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