Questo specchio è una scala di forza che mette in relazione la forza di un laser che brilla su di esso alla potenza (cioè, la luminosità) di quel laser. Gli scienziati del NIST stanno sviluppando questi dispositivi da incorporare in strumenti di produzione basati su laser per migliorare le prestazioni e l'affidabilità. Il dispositivo in questa immagine è un prototipo del loro sensore di pressione capacitivo progettato per misurare 1, Laser da 000 W nell'infrarosso con incertezza migliore dell'1%. La prossima fase di dispositivi come questo saranno strumenti di riferimento standard che riportano la potenza assoluta di qualsiasi laser a colori da 1 mW fino a 100 kW di potenza. Credito:A. Artusio-Glimpse/NIST
I laser ad alta potenza sono ora ampiamente utilizzati nella produzione additiva e nei sistemi di saldatura laser per tagliare e saldare con precisione il metallo, realizzazione di tutti i tipi di parti metalliche per dispositivi medici, applicazioni aerospaziali, industrie automobilistiche, e altro ancora. Con l'aumento dell'uso industriale della lavorazione laser ad alta potenza, i produttori cercano sempre più alta precisione, misuratori di potenza laser al punto d'uso in grado di segnalare rapidamente le potenze laser in qualsiasi momento del processo di produzione, un aspetto fondamentale per il controllo della qualità del prodotto. Misuratori di potenza laser tradizionali, però, sono spesso ingombranti e lenti nei tempi di risposta. Le misurazioni della potenza possono anche essere prese solo separatamente, interrompendo il processo produttivo.
Ora, un gruppo di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) di Boulder, Colorado, hanno sviluppato un più piccolo, misuratore di potenza laser più veloce e più sensibile sotto forma di uno specchio pieghevole che chiamano "specchio intelligente". Il nuovo design utilizza un trasduttore di forza basato su condensatore e fonde elementi ottici, vale a dire uno specchio ad alta riflettività, ed elementi di rilevamento in un pacchetto cubo compatto. I cubi da quattro centimetri su un lato possono essere comodamente incorporati in sistemi ottici laser o sistemi di saldatura laser per punti d'uso, misurazione e calibrazione della potenza laser in tempo reale. I ricercatori presenteranno la loro innovazione all'OSA Imaging and Applied Optics Congress, che si terrà dal 25 al 28 giugno ad Orlando, Florida, Stati Uniti.
"Misurare la potenza del laser misurando la pressione di un raggio laser che colpisce uno specchio è una tecnica davvero unica, [e] finora è l'unica tecnica di misurazione della potenza laser che è veramente un processo in situ, " ha detto Alexandera B. Artusio-Glimpse, uno scienziato del NIST a Boulder, Colorado, e l'autore principale. "A differenza di qualsiasi altra tecnica di misurazione della potenza ottica, il nostro metodo ci consente di continuare a utilizzare il laser per lavoro mentre viene eseguita una misurazione."
Artusio-Glimpse ha spiegato che i misuratori tradizionali ad alta potenza misurano la potenza del laser assorbendo tutta l'energia di un raggio laser sotto forma di calore e misurando la variazione di temperatura. La misura calorimetrica deve interrompere temporaneamente il funzionamento del raggio laser per circa decine di minuti.
"Utilizzando il nostro misuratore di potenza laser 'Smart Mirror', quel processo stop-misura-continua non è più necessario. I produttori possono misurare continuamente la potenza del laser durante ogni saldatura e monitorare la calibrazione del laser in tempo reale, saprebbero subito ogni volta che il laser ha un problema e non rischierebbero di sprecare parti metalliche con saldature difettose, " disse Artusio-Glimpse.
Il misuratore di potenza laser Smart Mirror è indicato anche come misuratore di potenza a pressione di radiazione (RPPM), poiché il principio di funzionamento di questo strumento si basa sulla misurazione della pressione del laser, la pressione di radiazione. La luce non ha massa, ma ha slancio e quando un raggio laser colpisce un oggetto come uno specchio, eserciterà una piccola forza nota come pressione di radiazione sullo specchio, che si riferisce direttamente alla potenza del laser. 200 watt di potenza laser, Per esempio, esercita una forza equivalente a 100 microgrammi, che è all'incirca il peso di una singola ciglia umana.
La parte fondamentale del design Smart Mirror è un trasduttore di forza compatto basato su condensatore. È costituito da una molla a spirale planare in silicio che sostiene una piastra circolare con uno specchio ad alta riflettività da un lato e un elettrodo dall'altro. Una molla di silicio identica con un elettrodo è posta vicino alla prima molla in modo che i due elettrodi siano uno di fronte all'altro, formando un condensatore variabile. Un raggio laser che si riflette sullo specchio sulla prima molla spingerà la prima molla a spostarsi verso la seconda e cambierà la capacità tra i due elettrodi. Confrontando con un condensatore di riferimento fisso, i ricercatori possono calcolare la pressione di radiazione e la potenza del laser. Dopo aver riflettuto sullo specchio, il raggio laser può essere utilizzato direttamente per il lavoro, rendendo possibile il monitoraggio in tempo reale della potenza del laser o la calibrazione del laser.
Secondo Artusio-Glimpse, il team ha sviluppato per anni il nuovo misuratore di potenza della pressione di radiazione e una versione precedente di RPPM utilizzava una scala disponibile in commercio con una superficie specchiata come trasduttore di forza. Il sistema finale aveva le dimensioni di una scatola da scarpe, con una sensibilità di misurazione di 50 microgrammi e un tempo di risposta di cinque secondi.
Nella nuova versione dello Smart Mirror, i ricercatori hanno migliorato la sensibilità di misurazione di 100 volte e ridotto il tempo di risposta di 50 volte. Hanno anche mitigato gli errori di cedimento statico del dispositivo causati dalla gravità quando il dispositivo viene ruotato. Ciò consente al sensore di essere incorporato all'estremità di un braccio robotico o in sistemi di produzione additiva e saldatura laser in cui la testa del laser si muoverà e ruoterà, una caratteristica chiave che manca alla prima versione di bulk RPPM. Soddisfa inoltre i requisiti di misurazione di molte applicazioni commercialmente significative.
Sulla base di prove preliminari, il nuovo misuratore è abbastanza sensibile da misurare 100 watt di potenza laser con non più dell'1% di incertezza, e con un tempo di risposta più veloce di qualsiasi altro misuratore laser assoluto ad alta potenza. I ricercatori stanno ora continuando a convalidare questi risultati con più test. Artusio-Glimpse ha affermato che il team del NIST prevede di stabilire una versione standard principale del misuratore di potenza laser Smart Mirror nel prossimo futuro.
