研究人员实现高千瓦范围激光功率实时测量

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。

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。

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）。

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。