Ce miroir est une échelle de force qui relie la force d'un laser qui l'éclaire à la puissance (c'est-à-dire, la luminosité) de ce laser. Les scientifiques du NIST développent ces dispositifs pour les intégrer dans des outils de fabrication laser pour des performances et une fiabilité améliorées. L'appareil sur cette photo est un prototype de leur capteur de pression capacitif conçu pour mesurer 1, Lasers de 000 W dans l'infrarouge avec une incertitude supérieure à 1%. La prochaine phase d'appareils comme celui-ci sera des instruments de référence standard qui rapporteront la puissance absolue de n'importe quel laser couleur de 1 mW à 100 kW de puissance. Crédit :A. Artusio-Glimpse/NIST
Les lasers haute puissance sont maintenant largement utilisés dans les systèmes de fabrication additive et de soudage laser pour couper et souder avec précision le métal, fabrication de toutes sortes de pièces métalliques pour dispositifs médicaux, applications aérospatiales, l'industrie automobile, et plus. Avec l'essor de l'utilisation industrielle du traitement laser haute puissance, les fabricants recherchent de plus en plus la haute précision, des compteurs de puissance laser au point d'utilisation qui peuvent rapporter rapidement les puissances laser à tout moment du processus de fabrication, un aspect essentiel pour contrôler la qualité des produits. Compteurs de puissance laser traditionnels, cependant, sont souvent encombrants et lents en temps de réponse. Les mesures de puissance ne peuvent également être prises que séparément, interrompre le processus de fabrication.
Maintenant, un groupe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) de Boulder, Colorado, ont développé un plus petit, compteur de puissance laser plus rapide et plus sensible sous la forme d'un miroir pliant qu'ils appellent un "miroir intelligent". La nouvelle conception utilise un transducteur de force à condensateur et fusionne des éléments optiques, à savoir un miroir à haute réflectivité, et des éléments de détection dans un boîtier cubique compact. Les cubes de quatre centimètres de côté peuvent être facilement intégrés dans des systèmes optiques laser ou des systèmes de soudage laser pour le point d'utilisation, mesure et étalonnage de la puissance laser en temps réel. Les chercheurs présenteront leur innovation au congrès OSA Imaging and Applied Optics, qui se tiendra du 25 au 28 juin à Orlando, Floride, États Unis.
"La mesure de la puissance laser en mesurant la pression d'un faisceau laser frappant un miroir est une technique tout à fait unique, [et] jusqu'à présent, c'est la seule technique de mesure de la puissance laser qui est vraiment un processus in-situ, " a déclaré Alexandera B. Artusio-Glimpse, un scientifique du NIST à Boulder, Colorado, et l'auteur principal. "Contrairement à toutes les autres techniques de mesure de puissance optique, notre méthode nous permet de continuer à utiliser le laser pour travailler pendant qu'une mesure est en cours."
Artusio-Glimpse a expliqué que les compteurs haute puissance traditionnels mesurent la puissance laser en absorbant toute l'énergie d'un faisceau laser sous forme de chaleur et en mesurant le changement de température. La mesure calorimétrique doit arrêter temporairement le faisceau laser de fonctionner pendant une dizaine de minutes environ.
"En utilisant notre wattmètre laser 'Smart Mirror', ce processus d'arrêt-mesure-continuation n'est plus nécessaire. Les fabricants peuvent mesurer la puissance du laser en continu pendant chaque soudure et surveiller l'étalonnage du laser en temps réel, ils sauraient tout de suite chaque fois que le laser a un problème et ne risqueraient pas de gaspiller des pièces métalliques avec de mauvaises soudures, " a déclaré Artusio-Glimpse.
Le wattmètre laser Smart Mirror est également appelé wattmètre à pression de rayonnement (RPPM), le principe de fonctionnement de ce compteur étant basé sur la mesure de la pression du laser, la pression de rayonnement. La lumière n'a pas de masse, mais il a de l'élan et lorsqu'un faisceau laser frappe un objet tel qu'un miroir, il exercera une force minuscule connue sous le nom de pression de rayonnement sur le miroir, qui se rapporte directement à la puissance du laser. 200 watts de puissance laser, par exemple, exerce une force équivalente à 100 microgrammes, qui est à peu près le poids d'un seul cil humain.
L'élément clé de la conception Smart Mirror est un transducteur de force compact à condensateur. Il se compose d'un ressort spiral en silicium planaire supportant une plaque circulaire avec un miroir à haute réflectivité d'un côté et une électrode de l'autre. Un ressort en silicium identique avec une électrode est placé à proximité du premier ressort de telle sorte que les deux électrodes se font face, formant un condensateur variable. Un faisceau laser se réfléchissant sur le miroir du premier ressort poussera le premier ressort à se déplacer vers le second et modifiera la capacité entre les deux électrodes. En comparant à un condensateur de référence fixe, les chercheurs peuvent calculer la pression de rayonnement et la puissance laser. Après avoir réfléchi sur le miroir, le faisceau laser peut être utilisé directement pour le travail, rendant possible la surveillance en temps réel de la puissance laser ou l'étalonnage laser.
Selon Artusio-Glimpse, l'équipe a développé le nouveau mesureur de puissance et de pression de rayonnement pendant des années et une version antérieure de RPPM utilisait une échelle disponible dans le commerce avec une surface réfléchissante comme transducteur de force. Le système final avait à peu près la taille d'une boîte à chaussures, avec une sensibilité de mesure de 50 microgrammes et un temps de réponse de cinq secondes.
Dans la nouvelle version du Smart Mirror, les chercheurs ont amélioré la sensibilité de la mesure de 100 fois et réduit le temps de réponse de 50 fois. Ils ont également atténué les erreurs d'affaissement statique de l'appareil causées par la gravité lorsque l'appareil est tourné. Cela permet au capteur d'être intégré à l'extrémité d'un bras robotique ou dans des systèmes de fabrication additive et de soudage laser où la tête laser se déplacera et tournera, une caractéristique clé qui manque à la première version du RPPM en vrac. Il répond également aux exigences de mesure de nombreuses applications commercialement importantes.
Sur la base de tests préliminaires, le nouveau compteur est suffisamment sensible pour mesurer 100 watts de puissance laser avec pas plus d'un pour cent d'incertitude, et avec un temps de réponse plus rapide que tout autre compteur laser absolu à haute puissance. Les chercheurs continuent maintenant à valider ces résultats avec plus de tests. Artusio-Glimpse a déclaré que l'équipe du NIST prévoyait d'établir une version standard principale du wattmètre laser Smart Mirror dans un avenir proche.
