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研究人员实现高千瓦范围激光功率实时测量

2019-02-15 09:51
来源: 微迷网

测量激光的功率是一项挑战。我们可以将激光能量汇聚到传感器上,并测量由此产生的温升,或用已知部分光束的功率来测算被测激光。对于第一种选择,激光必须从正常传播路径切换(转移),因此,它不能在生产中应用。在这两种选择中,如果面对用于金属切割和焊接等应用的极高功率激光器,很容易因为“处置不当”,而烧毁传感器。

据麦姆斯咨询报道,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员显然意识到了这些挑战,并在最近设计了一种测量高千瓦范围(高达500 kW)激光功率的系统。他们使用一个反射镜拦截并反射99.9%的光束,从而使光束可以继续执行其原来的功能。这款装置大约相当于一个鞋盒的大小,能够精确地抵消误差来测量撞击光子的力(辐射压力,一个100 kW的光束,大约330 mg)。

但是这种方法无法兼容强度低得多的数百瓦量级的激光束,因此NIST的研究人员又设计了一种完全不同的传感方案。他们不再测量撞击在反射镜上的微小激光力,而是设计了一种概念上简单的“智能反射镜”方案(图1)。新设计既紧凑又适合嵌入光路,因此不会干扰激光的使用,这在实际应用中是一大优势。

研究人员实现高千瓦范围激光功率实时测量

图1 在这款智能反射镜原型中,激光从黑色塑料环中间的布拉格反射镜硅板的高反射表面被反射

这款传感器的核心是一个基于MEMS的电容组件,它由上下两片相同的板组成,每个板的宽度约为20 mm,间隔42.5 um(图2)。上方的硅板传感元件通过三个窄螺旋支架(宽度为265 um,厚度为380 um,长度为45 mm)附接到外围的硅环上,它被制造成分布式的布拉格反射镜,一种由硅和二氧化硅交替层制成的高反射率反射镜。与传统的反射镜不同,通过调谐交替层的间隔和分布,它能够在所需波长下获得最大的反射率。

研究人员实现高千瓦范围激光功率实时测量

图2 展示了这款MEMS传感反射镜系统的示意图(a)和所制造的传感器原型照片(b)

耦合的上下两片硅板因为能够做相同地(或非常接近地)运动,因而可以抑制共模机械噪声,例如振动或倾斜。研究员John Lehman评价说:“如果设备受到物理移动或振动,两块板都会一起运动,因此硅板上的净力主要是辐射压力,而不会受到任何环境影响。”

投射到上方硅板上的激光会产生一个力,使其靠近下方硅板,并改变整个组件的电容;两块硅板之间的间距与光子压力直接相关。为了测量电容的变化,原型装置采用了开环信号处理测重(图3)。

研究人员实现高千瓦范围激光功率实时测量

图3 简化框图展示了施加到可变电容器C1的光学力。通过锁相放大器对与光学力相关的AC桥信号进行测量,并且可以添加一个伺服控制器用于C1电极间距的闭环控制。

开环布置是高度非线性的。需要仔细表征以确定初始零点静止状态,以正确测量传感器对激光功率的响应。

为了增强性能,他们计划采用闭环零指示器方法,这种方法在高性能测量中很常见,通过一个伺服控制器用静电力将传感硅板偏转到预设的偏置点。然后,当两个硅板之间的间距减小时,伺服控制器调节该偏置力以使MEMS弹簧和硅板返回其原始零位。

虽然闭环架构需要额外的电路,但它会带来更好的性能,并消除一些误差源,例如传感器弹簧常数。

他们的概念验证装置使用250 W激光器在开环下运行。其响应时间低于20 ms,本底噪声为2.5 W/√Hz。

研究人员明确指出,这项研究目前仍处于早期阶段。除了电路噪声外,还需要考虑和校准许多二阶和三阶误差因子,以提高灵敏度和稳定性(包括空气介电常数)。通过进一步的研究,他们希望制造出可用于1 W ~ 1 kW功率的传感系统。该功率测量子系统甚至可以封装在激光系统和光路中,以实现连续的实时读出,从而带来显著的实际效益。

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