Krachtige lasers worden nu veel gebruikt in additive manufacturing en laserlassystemen om metaal nauwkeurig te snijden en te lassen, het maken van allerlei metalen onderdelen voor medische apparaten, ruimtevaart toepassingen, auto-industrie, en meer. Met de opkomst van industrieel gebruik van krachtige laserverwerking, fabrikanten streven steeds vaker naar zeer nauwkeurige, point-of-use laservermogensmeters die snel laservermogens kunnen rapporteren op elk moment in het productieproces - een essentieel aspect voor het controleren van de productkwaliteit. Traditionele laservermogensmeters, echter, zijn vaak omvangrijk en traag in reactietijd. Vermogensmetingen kunnen ook alleen afzonderlijk worden uitgevoerd, het productieproces te onderbreken.

Nutsvoorzieningen, een groep onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, hebben een kleinere ontwikkeld, snellere en gevoeligere laservermogensmeter in de vorm van een opvouwbare spiegel die ze een "slimme spiegel" noemen. Het nieuwe ontwerp maakt gebruik van een op condensatoren gebaseerde krachtopnemer en voegt optische elementen samen, namelijk een spiegel met hoge reflectiviteit, en detectie-elementen in een compact kubuspakket. De kubussen van vier centimeter aan één kant kunnen gemakkelijk worden ingebed in optische lasersystemen of laserlassystemen voor gebruiksdoeleinden, realtime laservermogensmeting en -kalibratie. De onderzoekers presenteren hun innovatie op het OSA Imaging and Applied Optics Congress, wordt gehouden van 25-28 juni in Orlando, Florida, Verenigde Staten.

"Het meten van laservermogen door het meten van de druk van een laserstraal die een spiegel raakt, is een zeer unieke techniek, [en] tot nu toe is het de enige meettechniek voor laservermogen die echt een in-situ proces is, " zei Alexandera B. Artusio-Glimpse, een wetenschapper van NIST in Boulder, Colorado, en de hoofdauteur. "In tegenstelling tot andere technieken voor het meten van optische vermogens, onze methode stelt ons in staat om de laser te blijven gebruiken voor het werk terwijl een meting wordt uitgevoerd."

Artusio-Glimpse legde uit dat traditionele krachtige meters het laservermogen meten door alle energie van een laserstraal als warmte te absorberen en de temperatuurverandering te meten. De calorimetrische meting moet de laserstraal tijdelijk uitschakelen voor ongeveer tientallen minuten.

"Met behulp van onze 'Smart Mirror' laservermogensmeter, dat stop-maatregel-doorgaan-proces is niet langer nodig. Fabrikanten kunnen tijdens elke las het laservermogen continu meten en de laserkalibratie in realtime volgen, ze zouden meteen weten wanneer de laser een probleem heeft en zouden niet het risico lopen metalen onderdelen te verspillen met slechte lassen, ' zei Artusio-Glimpse.

De Smart Mirror laservermogensmeter wordt ook wel stralingsdrukvermogensmeter (RPPM) genoemd, aangezien het werkingsprincipe van deze meter gebaseerd is op het meten van de druk van de laser, de stralingsdruk. Licht heeft geen massa, maar het heeft momentum en wanneer een laserstraal een object raakt, zoals een spiegel, het zal een kleine kracht uitoefenen die bekend staat als de stralingsdruk op de spiegel, die direct betrekking heeft op het laservermogen. 200 watt laservermogen, bijvoorbeeld, oefent een kracht uit die gelijk is aan 100 microgram, dat is ongeveer het gewicht van een enkele menselijke wimper.

Het belangrijkste onderdeel van het Smart Mirror-ontwerp is een op condensatoren gebaseerde compacte krachtopnemer. Het bestaat uit een spiraalvormige vlakke siliciumveer die een cirkelvormige plaat ondersteunt met aan de ene kant een spiegel met hoog reflectievermogen en aan de andere kant een elektrode. Een identieke siliciumveer met een elektrode wordt dicht bij de eerste veer geplaatst, zodat de twee elektroden naar elkaar gericht zijn, een variabele condensator vormen. Een laserstraal die door de spiegel op de eerste veer wordt gereflecteerd, zal de eerste veer duwen om naar de tweede te bewegen en de capaciteit tussen de twee elektroden te veranderen. Door te vergelijken met een vaste referentiecondensator, kunnen de onderzoekers de stralingsdruk en het laservermogen berekenen. Na weerkaatsing van de spiegel, de laserstraal kan direct voor het werk worden gebruikt, waardoor realtime monitoring van laservermogen of laserkalibratie mogelijk is.

Volgens Artusio-Glimpse, het team heeft jarenlang de nieuwe stralingsdruk-vermogensmeter ontwikkeld en een eerdere versie van RPPM gebruikte een in de handel verkrijgbare schaal met een gespiegeld oppervlak als krachtopnemer. Het uiteindelijke systeem was ongeveer zo groot als een schoenendoos, met een meetgevoeligheid van 50 microgram en een responstijd van vijf seconden.

In de nieuwe versie van de Smart Mirror, de onderzoekers verbeterden de meetgevoeligheid met 100 keer en verminderden de responstijd met 50 keer. Ze verminderden ook statische verzakkingsfouten van het apparaat veroorzaakt door de zwaartekracht wanneer het apparaat wordt geroteerd. Hierdoor kan de sensor worden ingebed aan het uiteinde van een robotarm of in additieve fabricage- en laserlassystemen waar de laserkop zal bewegen en roteren - een belangrijk kenmerk dat de vroege versie bulk-RPPM mist. Het voldoet ook aan de meetvereisten van veel commercieel belangrijke toepassingen.

Op basis van voorlopige tests, de nieuwe meter is gevoelig genoeg om 100 watt laservermogen te meten met niet meer dan één procent onzekerheid, en met een snellere responstijd dan elke andere absolute high-power lasermeter. De onderzoekers valideren deze resultaten nu met meer tests. Artusio-Glimpse zei dat het NIST-team in de nabije toekomst een primaire standaardversie van de Smart Mirror-laservermogensmeter verwacht.