研究人員實現高千瓦范圍激光功率實時測量
發布時間：2019-04-17 11:39:38文章來源：三旗激光關注量：1748
導讀： 測量激光的功率是一項挑戰。我們可以將激光能量匯聚到傳感器上，并測量由此產生的溫升，或用已知部分光束的功率來測算被測激光。
測量激光的功率是一項挑戰。我們可以將激光能量匯聚到傳感器上，并測量由此產生的溫升，或用已知部分光束的功率來測算被測激光。對于第一種選擇，激光必須從正常傳播路徑切換（轉移），因此，它不能在生產中應用。在這兩種選擇中，如果面對用于金屬切割和焊接等應用的極高功率激光器，很容易因為“處置不當”，而燒毀傳感器。
據麥姆斯咨詢報道，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員顯然意識到了這些挑戰，并在最近設計了一種測量高千瓦范圍（高達500 kW）激光功率的系統。他們使用一個反射鏡攔截并反射99.9％的光束，從而使光束可以繼續執行其原來的功能。這款裝置大約相當于一個鞋盒的大小，能夠精確地抵消誤差來測量撞擊光子的力（輻射壓力，一個100 kW的光束，大約330 mg）。
但是這種方法無法兼容強度低得多的數百瓦量級的激光束，因此NIST的研究人員又設計了一種完全不同的傳感方案。他們不再測量撞擊在反射鏡上的微小激光力，而是設計了一種概念上簡單的“智能反射鏡”方案（圖1）。新設計既緊湊又適合嵌入光路，因此不會干擾激光的使用，這在實際應用中是一大優勢。
在這款智能反射鏡原型中，激光從黑色塑料環中間的布拉格反射鏡硅板的高反射表面被反射
這款傳感器的核心是一個基于MEMS的電容組件，它由上下兩片相同的板組成，每個板的寬度約為20 mm，間隔42.5 um（圖2）。上方的硅板傳感元件通過三個窄螺旋支架（寬度為265 um，厚度為380 um，長度為45 mm）附接到外圍的硅環上，它被制造成分布式的布拉格反射鏡，一種由硅和二氧化硅交替層制成的高反射率反射鏡。與傳統的反射鏡不同，通過調諧交替層的間隔和分布，它能夠在所需波長下獲得最大的反射率。
展示了這款MEMS傳感反射鏡系統的示意圖（a）和所制造的傳感器原型照片（b）
耦合的上下兩片硅板因為能夠做相同地（或非常接近地）運動，因而可以抑制共模機械噪聲，例如振動或傾斜。研究員John Lehman評價說：“如果設備受到物理移動或振動，兩塊板都會一起運動，因此硅板上的凈力主要是輻射壓力，而不會受到任何環境影響。”
投射到上方硅板上的激光會產生一個力，使其靠近下方硅板，并改變整個組件的電容；兩塊硅板之間的間距與光子壓力直接相關。為了測量電容的變化，原型裝置采用了開環信號處理測重（圖3）。
簡化框圖展示了施加到可變電容器C1的光學力。通過鎖相放大器對與光學力相關的AC橋信號進行測量，并且可以添加一個伺服控制器用于C1電極間距的閉環控制。
開環布置是高度非線性的。需要仔細表征以確定初始零點靜止狀態，以正確測量傳感器對激光功率的響應。
為了增強性能，他們計劃采用閉環零指示器方法，這種方法在高性能測量中很常見，通過一個伺服控制器用靜電力將傳感硅板偏轉到預設的偏置點。然后，當兩個硅板之間的間距減小時，伺服控制器調節該偏置力以使MEMS彈簧和硅板返回其原始零位。
雖然閉環架構需要額外的電路，但它會帶來更好的性能，并消除一些誤差源，例如傳感器彈簧常數。
他們的概念驗證裝置使用250 W激光器在開環下運行。其響應時間低于20 ms，本底噪聲為2.5 W／√Hz。
研究人員明確指出，這項研究目前仍處于早期階段。除了電路噪聲外，還需要考慮和校準許多二階和三階誤差因子，以提高靈敏度和穩定性（包括空氣介電常數）。通過進一步的研究，他們希望制造出可用于1 W ～ 1 kW功率的傳感系統。該功率測量子系統甚至可以封裝在激光系統和光路中，以實現連續的實時讀出，從而帶來顯著的實際效益。
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