Högeffektlasrar används nu i stor utsträckning i additiv tillverkning och lasersvetssystem för att exakt skära och svetsa metall, tillverkning av alla typer av metalldelar för medicinsk utrustning, flygtillämpningar, bilindustrin, och mer. Med den ökande industriella användningen av högeffektlaserbehandling, tillverkare söker alltmer hög noggrannhet, Point-of-use lasereffektmätare som snabbt kan rapportera lasereffekter när som helst i tillverkningsprocessen – en viktig aspekt för att kontrollera produktkvaliteten. Traditionella lasereffektmätare, dock, är ofta skrymmande i storlek och långsamma i svarstid. Effektmätningar kan också endast göras separat, avbryta tillverkningsprocessen.

Nu, en grupp forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder, Colorado, har utvecklat en mindre, snabbare och känsligare lasereffektmätare i form av en hopfällbar spegel de kallar en "smart spegel". Den nya designen använder en kondensatorbaserad kraftgivare och slår samman optiska element, nämligen en spegel med hög reflektivitet, och avkänningselement till ett kompakt kubpaket. Kuberna med fyra centimeter på en sida kan bekvämt bäddas in i laseroptiska system eller lasersvetsningssystem för användningsställe, lasereffektmätning och kalibrering i realtid. Forskarna kommer att presentera sin innovation på OSA Imaging and Applied Optics Congress, hålls 25-28 juni i Orlando, Florida, Förenta staterna.

"Att mäta laserkraft genom att mäta trycket från en laserstråle som träffar en spegel är en mycket unik teknik, [och] än så länge är det den enda tekniken för mätning av lasereffekt som verkligen är en process på plats, " sa Alexandera B. Artusio-Glimpse, en vetenskapsman vid NIST i Boulder, Colorado, och huvudförfattaren. "Till skillnad från alla andra optiska effektmätningstekniker, vår metod tillåter oss att fortsätta använda lasern för arbete medan en mätning görs."

Artusio-Glimpse förklarade att traditionella högeffektsmätare mäter lasereffekt genom att absorbera all energi från en laserstråle som värme och mäta temperaturförändringen. Den kalorimetriska mätningen måste tillfälligt stoppa laserstrålen från att fungera i cirka tiotals minuter.

"Med vår "Smart Mirror" lasereffektmätare, att stoppa-åtgärd-fortsätt-processen inte längre behövs. Tillverkare kan mäta lasereffekten kontinuerligt under varje svetsning och övervaka laserkalibreringen i realtid, de skulle veta direkt när lasern har problem och skulle inte riskera att slösa bort metalldelar med dåliga svetsar, " sa Artusio-Glimpse.

Smart Mirror lasereffektmätare kallas också för strålningstrycksmätare (RPPM), eftersom funktionsprincipen för denna mätare är baserad på mätning av laserns tryck, strålningstrycket. Ljus har ingen massa, men den har momentum och när en laserstråle träffar ett föremål som en spegel, det kommer att utöva en liten kraft som kallas strålningstrycket på spegeln, som direkt relaterar till laserkraften. 200 watt lasereffekt, till exempel, utövar en kraft motsvarande 100 mikrogram, vilket är ungefär vikten av en enda mänsklig ögonfrans.

Nyckeldelen av Smart Mirror-designen är en kondensatorbaserad kompakt kraftgivare. Den består av en spiralformad kiselfjäder som stöder en cirkulär platta med en högreflektionsspegel på ena sidan och en elektrod på den andra. En identisk kiselfjäder med en elektrod placeras nära den första fjädern så att de två elektroderna är vända mot varandra, bildar en variabel kondensator. En laserstråle som reflekteras från spegeln på den första fjädern kommer att trycka den första fjädern för att röra sig mot den andra och ändra kapacitansen mellan de två elektroderna. Genom att jämföra med en fast referenskondensator, forskarna kan beräkna strålningstrycket och lasereffekten. Efter att ha reflekterat från spegeln, laserstrålen kan användas direkt för arbete, möjliggör realtidsövervakning av lasereffekt eller laserkalibrering.

Enligt Artusio-Glimpse, teamet har utvecklat den nya strålningstryckmätaren i flera år och en tidigare version av RPPM använde en kommersiellt tillgänglig våg med en spegelyta som kraftgivare. Det slutliga systemet var ungefär lika stort som en skokartong, med en mätkänslighet på 50 mikrogram och en svarstid på fem sekunder.

I den nya versionen av Smart Mirror, forskarna förbättrade mätkänsligheten med 100 gånger och minskade svarstiden med 50 gånger. De mildrade också statiska hängfel hos enheten orsakade av gravitation när enheten roteras. Detta gör att sensorn kan bäddas in i änden av en robotarm eller i additiv tillverkning och lasersvetssystem där laserhuvudet kommer att röra sig och rotera – en nyckelfunktion som den tidiga versionen av bulk RPPM saknar. Den uppfyller även mätkraven för många kommersiellt betydelsefulla applikationer.

Baserat på preliminära tester, den nya mätaren är tillräckligt känslig för att mäta 100 watt lasereffekt med högst en procents osäkerhet, och med en svarstid som är snabbare än någon annan lasermätare med absolut hög effekt. Forskarna fortsätter nu att validera dessa resultat med fler tester. Artusio-Glimpse sa att NIST-teamet förväntar sig att etablera en primär standardversion av Smart Mirrors lasereffektmätare inom en snar framtid.