Лазеры используются во многих производственных процессах, от сварки автомобильных деталей до изготовления компонентов двигателя с помощью 3D-принтеров. Чтобы контролировать эти задачи, производители должны обеспечить правильную мощность своих лазеров.
Но на сегодняшний день не существует способа точного измерения мощности лазера в процессе производства в режиме реального времени, когда лазеры, например, режут или плавят объекты. Без этой информации некоторым производителям, возможно, придется тратить больше времени и денег на оценку того, соответствуют ли их детали производственным спецификациям после производства.
Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разрабатывают датчик мощности лазера, который может быть встроен в производственные устройства для измерений в реальном времени. Они представили результаты своего последнего прототипа в выпуске IEEE Sensors за октябрь 2018 года.
Новое устройство работает аналогично предыдущему датчику, созданному командой, который использует радиационное давление или силу, с которой свет воздействует на объект. Но в отличие от их более старого устройства - измерителя мощности радиационного давления (RPPM) размером с обувную коробку для сверхмощных лазеров в тысячи ватт - «умное зеркало» размером с чип предназначено для лазеров мощностью в сотни ватт, диапазон, обычно используемый для производственные процессы.
«Это все еще измеритель мощности радиационного давления, но он намного меньше и намного быстрее», со скоростью измерения, в 250 раз превышающей скорость их более крупного датчика, сказал Джон Леман из NIST. Умное зеркало также примерно в 40 раз более чувствительно, чем RPPM.
Виды производственных процессов, которые потенциально могут использовать эту новую технологию, включают в себя все, от самолетов и автомобилей до мобильных телефонов и медицинских устройств. Умное зеркало также может быть интегрировано в машины, используемые в аддитивном производстве, типе 3D-печати, при котором объект создается слой за слоем, часто с использованием лазера для плавления материалов, из которых состоит объект.
Когда-нибудь, говорят исследователи, эти крошечные метры могут быть в каждом станке для аддитивного производства и в каждой головке для лазерной сварки.
«Это позволит операторам получить высокую точность измерения мощности NIST, обеспечивая стандартизированную гарантию качества для лазерных систем и помогая ускорить процесс квалификации деталей», что гарантирует, что производимые объекты соответствуют техническим требованиям. спецификациях, говорит Александра Б. Артузио-Глимпс из NIST.
Новое и старое
Традиционные методы измерения мощности лазера требуют устройства, которое поглощает всю энергию луча в виде тепла. Измерение изменения температуры позволяет исследователям рассчитать мощность лазера.
Проблема этого традиционного метода заключается в том, что если измерение требует поглощения всей энергии лазерного луча, то производители не могут измерить луч, когда он фактически для чего-то используется.
Радиационное давление решает эту проблему. У света нет массы, но есть импульс, который позволяет ему создавать силу при ударе о объект. Лазерный луч мощностью 1 киловатт (кВт) имеет небольшую, но заметную силу - примерно вес песчинки.
Направляя лазерный луч на отражающую поверхность, а затем измеряя, насколько поверхность движется в ответ на давление света, исследователи могут измерять силу лазера (и, следовательно, его мощность), а также использовать свет, который отскакивает от поверхности непосредственно для производственных работ.
Как это работает
Предыдущий RPPM команды NIST, для многокиловаттных лучей, работает, освещая лазером, по сути, лабораторные весы, которые опускаются, когда на них падает свет. Но это устройство слишком велико, чтобы его можно было интегрировать в сварочные головки или 3D-принтеры. Исследователям также требовалась система, которая была бы более чувствительна к значительно меньшим силам, используемым в повседневных производственных процессах.
Вместо лабораторных весов новое «умное зеркало» работает по существу как конденсатор, устройство, накапливающее электрический заряд. Датчик измеряет изменения емкости между двумя заряженными пластинами, каждая размером примерно с полдоллара.
Верхняя пластина покрыта зеркалом с высокой отражающей способностью, называемым распределенным отражателем Брэгга, в котором используются чередующиеся слои кремния и диоксида кремния. Лазерный свет, падающий на верхнюю пластину, создает силу, которая заставляет пластину двигаться ближе нижняя пластина, которая изменяет емкость, ее способность накапливать электрический заряд. Чем выше мощность лазера, тем больше сила на верхней пластине.
Лазерный свет в диапазоне, используемом для производства - в диапазоне сотен ватт - недостаточно мощный, чтобы сдвинуть пластину очень далеко. Это означает, что любая физическая вибрация в комнате может привести к тому, что верхняя пластина сдвинется таким образом, что исчезнет слабый сигнал, для измерения которого она предназначена.
Итак, исследователи NIST сделали свой датчик нечувствительным к вибрации. И верхняя, и нижняя пластины крепятся к устройству пружинами. Окружающие воздействия, такие как вибрации, если кто-то закрывает дверь в комнате или проходит мимо стола, заставляют обе пластины двигаться в тандеме. Но сила, действующая только на верхнюю пластину, заставляет ее двигаться независимо.
«Если устройство физически перемещается или вибрирует, обе пластины движутся вместе», - сказал Леман. «Таким образом, результирующая сила - это строго радиационное давление, а не какие-либо внешние воздействия».
С помощью этой технологии датчик может выполнять точные измерения мощности в реальном времени для лазеров мощностью в сотни ватт при уровне фонового шума всего 2,5 Вт.
«Я просто удивлен, насколько хорошо это работает. Я действительно взволнован этим», - сказал Lehman. «Если бы вы сказали мне два года назад, что мы это сделаем, я бы сказал: «Ни за что!»»
Прямо сейчас прототип датчика был протестирован при мощности лазера 250 Вт. При дальнейшей работе этот диапазон, вероятно, расширится примерно до 1 кВт на верхнем уровне и ниже 1 Вт на нижнем уровне. Lehman и его коллеги также работают над улучшением чувствительности и стабильности устройства.
3D-печать металлами обычно называют аддитивным производством. Аддитивное производство полезно для создания деталей, которые трудно изготовить с помощью традиционного «субтрактивного» производства, которое включает вырезание деталей из предварительно отформованного металла.
Распределенный рефлектор Брэгга работает путем конструктивного объединения отражений света от каждого из чередующихся слоев кремния и диоксида кремния. Его отражательная способность зависит от расстояния между слоями и их расположения, которые можно настроить для максимального отражения на определенной длине волны.