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美国国家标准与技术研究院为工业应用设计新型激光功率计

发布:HPLSElaser    |    2018-10-11 22:42    阅读:185
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图为Smart Mirror功率计的原型机。激光从硅板的高反射面反射回来,穿过黑色厚塑料环中部。图片来源:Jennifer Lauren Lee/美国国家标准与技术研究院(NIST)。

为了有效应对目前激光器逐年增加的工业任务和需求多样性,制造商必须确保他们的激光器能够以正确的功率发射激光。但到目前为止,还没有办法在高功率激光器的使用过程中如激光切割或熔化物体,实时地精确测量激光输出。如果没有这些准确的信息,一些制造商将被迫花费更多的时间和金钱来评估其零件是否符合生产后的制造规格。

美国国家标准与技术研究院的研究人员们一直在开发一种紧凑型激光功率传感器,能够集成到制造设备中进行实时测量。新设备的工作方式与该团队先前开发的传感器类似,后者使用辐射压力或光线进行测量。

芯片尺寸

与先前的老式设备,即用于输出功率为数千瓦的超高功率激光器的辐射压力功率计不同,新型芯片尺寸的Smart Mirror将被设计用于功率为数百瓦的激光器。美国国家标准与技术研究院的John Lehman表示:“它仍然是一个辐射压力功率计,但它体积更小,速度更快,测量速度是传感器的250倍。此外,Smart Mirror的灵敏度也比早期的RPPM高出约40倍。”

研究人员可能使用这种新技术的制造工艺,包括用于飞机和汽车以及手机和医疗设备的制造工艺。Smart Mirror也可集成到增材制造使用的机器中,该机器通常使用激光来熔化形成所需物体的材料。美国国家标准与技术研究院的研究人员表示,新的微型仪器有朝一日可被安装在“每个增材制造机器和每个激光焊接头”中。

美国国家标准与技术研究院的科学家Alexandra Artusio-Glimpse博士和Smart Mirror集团的主要作者评论说:“这将把美国国家标准与技术研究院为该设备的使用厂商提供高精度的功率测量方法,为激光提供标准化的质量保证,这将确保厂商制造的物体符合工程规范。“


Artusio-Glimpse博士。图片来源:美国光学学会。

辐射压力

用于测量激光功率的传统技术需要一种装置用于吸收光束的所有能量并转换为热量,研究人员通过测量其温度变化计算出激光的功率。这种传统方法的问题在于,如果测量需要吸收激光束的所有能量,那么设备制造商就无法在实际应用过程中对光束进行其他测量。

研究人员利用辐射压力解决了这个问题。光虽然没有质量,但它确实具有动量,它能够在撞击物体时产生压力。例如,1kW的激光束具有比较明显的力,相当于一粒沙子的重量。通过将激光束照射在反射表面上,然后根据光的压力测量表面移动的程度,使得研究人员既能够测量激光的力,也可使用从表面反射的光直接用于其他工作。

设备开发

美国国家标准与技术研究院团队之前的设备,通过将激光照射到实验室的秤上来工作,当光线照射它时会得到一定的数值。但该设备太大而无法集成到焊接头或3D打印机中。研究人员还表示,他们希望系统能够对日常制造过程中使用的更小的力更加敏感。因此,研究人员开发的新设备不是采用实验室天平,而是利用电容器,即一种存储电荷的装置。传感器测量两个带电板之间的电容变化,每个板的直径约为30mm。

电容器的顶板涂有高反射镜,被称为分布式布拉格反射器,它由硅和二氧化硅层交替叠成。撞击顶板的激光产生的力使得该板移动靠近底板,这将改变电容。激光功率越高,顶板上受到的力就越大。用于制造的激光在数百瓦的范围内,这并不足以使板移动很远。但这也意味着房间内的任何物理振动都可能导致顶板发生移动,从而掩盖其用于测量的微小信号。

因此,美国国家标准与技术研究院的研究人员设计使他们的新传感器对振动不敏感。顶板和底板都通过弹簧连接到设备上。环境产生的影响,如有人关闭房间的门或走过桌子时的振动,会导致上下两个板同时移动,但是仅影响顶板的力会使其独立移动。Lehman表示:“如果设备被物理移动或振动,两块板都会一起移动,所以净力是严格的辐射压力,而不是任何环境产生的影响。”利用这种技术,传感器能够对数百瓦的激光进行精确、实时的功率测量,背景噪声水平仅为2.5 W.传感器的原型机已经在250瓦的激光功率下进行了测试。随着进一步的工作,该范围可能会扩展至最高1千瓦,最低1瓦。Lehman及其同事也在努力提高设备的灵敏度和稳定性。

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