新型功率計為高功率激光器的現場實時監測打開了大門

這個鏡子是一個力度標尺，它將照在其上的激光的力度與該激光的功率（即亮度）聯繫起來。美國國家標準技術研究所（NIST）的科學家正在開發這些設備，嵌入基於激光的製造工具，以提高性能和可靠性。 該圖中的器件是其電容式壓力感測器的原型，這個感測器是用於測量紅外線中的1,000 W激光器，其誤差不超過1％。 像這樣的設備的下一階段將是標準參考儀器，它可以測量從1mW到100kW功率的任何彩色激光的絕對功率。圖片來源：A. Artusio-Glimpse / NIST

高功率激光器現在廣泛應用於增材製造和激光焊接系統，用來精確切割和焊接金屬，為醫療設備，航空航天應用，汽車行業等製造各種金屬部件。隨著高功率激光加工工業的應用增加，製造商越來越多地尋求高精度的，能夠在製造過程中隨時快速報告激光功率的激光功率計，這是控制產品質量的一個重要方面。然而，傳統的激光功率計通常體積龐大，響應速度慢。功率測量也只能中斷製造過程而單獨進行。

現在，來自科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所（NIST）的一組研究人員已經開發出一種更小，更快，更靈敏的摺疊式反射鏡形式的激光功率計，他們稱之為「智能反射鏡」。這種新穎的設計採用了基於電容器的力感測器，並將光學元件（即高反射鏡）和感測元件整合為緊湊的立方體封裝中。四厘米立方體可以很方便地嵌入到激光光學系統或激光焊接系統，以便進行實時激光功率測量和校準。研究人員將於6月25日至28日在美國佛羅里達州奧蘭多舉行的OSA成像和應用光學大會上展示他們的創新成果。

「通過測量激光束照射到反射鏡的壓力來測量激光功率是一項非常獨特的技術，迄今為止，它是唯一真正意義上的現場處理激光功率測量技術，」科羅拉多州博爾德NIST的科學家，也是該研究的主要作者Alexandera B. Artusio- Glimpse說道，「與其他任何光學功率測量技術不同，我們的方法使我們能夠在測量過程中繼續使用激光進行工作。」

Artusio-Glimpse解釋說，傳統的高功率計是通過吸收激光束的所有能量作為熱量並測量溫度變化來測量激光功率。熱量測定必須暫時停止激光束大約幾十分鐘。

「使用我們的『智能反射鏡』激光功率計，不再需要停止測量過程，製造商可以在每次焊接過程中持續測量激光功率，並實時監測激光校準，當激光出現問題時，他們會立即知道，而且不會有焊接不良浪費金屬部件的風險。」Artusio-Glimpse說。

智能反射鏡激光功率計也被稱為輻射功率計（RPPM），因為該儀錶的工作原理是基於測量激光的壓力和輻射壓力。光沒有質量，但當激光束撞擊物體（如鏡子）時有動量，它會產生一個微小的力，這種力稱為反射鏡上的輻射壓力，這直接與激光功率有關。例如，200瓦的激光相當於施加100微克的力，這大約是人的睫毛的重量。

智能鏡面設計的關鍵部分是基於電容器的緊湊型測力感測器。它由一個螺旋平面硅彈簧組成，能支撐一個圓形板，一側有高反射鏡，另一側有電極。一個與電極相同的硅彈簧被放置在靠近第一個彈簧的地方，使得兩個電極彼此面對面，形成可變電容器。從第一彈簧上的反射鏡反射的激光束將推動第一彈簧朝第二彈簧移動並改變兩個電極之間的電容。通過與固定的參考電容相比較，研究人員可以計算輻射壓力和激光功率。在被反射後，激光束可以直接用於工作，從而可以實時監測激光功率或激光校準。

根據Artusio-Glimpse的說法，該團隊多年來一直在開發新型輻射壓力功率計，早期版本的RPPM採用帶有鏡面的商用的感測器作為測力感測器。最終的系統大小與鞋盒相當，測量靈敏度為50微克，響應時間為5秒。

在新版本的智能反射鏡中，研究人員將測量靈敏度提高了100倍，並將響應時間縮短了50倍。它們還減輕了設備旋轉時由重力引起的設備的靜態下垂誤差。這使得感測器可以嵌入到機器人手臂的末端，或者在增材製造和激光焊接系統中，激光頭可以移動和旋轉 - 這是早期版本塊狀RPPM所缺乏的一個關鍵特徵。並且該『智能反射鏡』也符合許多重要商業應用的測量要求。

在初步測試的基礎上，新型測量儀足夠靈敏，可以測量100瓦的激光功率，不確定度不超過1％，而且響應時間比任何其他高功率激光測量儀都快。 研究人員現在繼續用更多的測試來驗證這些結果。 Artusio-Glimpse表示，NIST團隊預計在不久的將來將建立一個標準的智能反射鏡激光功率計。

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