據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員顯然意識到了這些挑戰(zhàn),并在最近設(shè)計(jì)了一種測量高千瓦范圍(高達(dá)500 kW)激光功率的系統(tǒng)。他們使用一個(gè)反射鏡攔截并反射99.9%的光束,從而使光束可以繼續(xù)執(zhí)行其原來的功能。這款裝置大約相當(dāng)于一個(gè)鞋盒的大小,能夠精確地抵消誤差來測量撞擊光子的力(輻射壓力,一個(gè)100 kW的光束,大約330 mg)。
但是這種方法無法兼容強(qiáng)度低得多的數(shù)百瓦量級的激光束,因此NIST的研究人員又設(shè)計(jì)了一種完全不同的傳感方案。他們不再測量撞擊在反射鏡上的微小激光力,而是設(shè)計(jì)了一種概念上簡單的“智能反射鏡”方案(圖1)。新設(shè)計(jì)既緊湊又適合嵌入光路,因此不會干擾激光的使用,這在實(shí)際應(yīng)用中是一大優(yōu)勢。
這款傳感器的核心是一個(gè)基于MEMS的電容組件,它由上下兩片相同的板組成,每個(gè)板的寬度約為20 mm,間隔42.5 um(圖2)。上方的硅板傳感元件通過三個(gè)窄螺旋支架(寬度為265 um,厚度為380 um,長度為45 mm)附接到外圍的硅環(huán)上,它被制造成分布式的布拉格反射鏡,一種由硅和二氧化硅交替層制成的高反射率反射鏡。與傳統(tǒng)的反射鏡不同,通過調(diào)諧交替層的間隔和分布,它能夠在所需波長下獲得最大的反射率。
耦合的上下兩片硅板因?yàn)槟軌蜃鱿嗤兀ɑ蚍浅=咏兀┻\(yùn)動,因而可以抑制共模機(jī)械噪聲,例如振動或傾斜。研究員John Lehman評價(jià)說:“如果設(shè)備受到物理移動或振動,兩塊板都會一起運(yùn)動,因此硅板上的凈力主要是輻射壓力,而不會受到任何環(huán)境影響?!?br />
投射到上方硅板上的激光會產(chǎn)生一個(gè)力,使其靠近下方硅板,并改變整個(gè)組件的電容;兩塊硅板之間的間距與光子壓力直接相關(guān)。為了測量電容的變化,原型裝置采用了開環(huán)信號處理測重(圖3)。
圖3 簡化框圖展示了施加到可變電容器C1的光學(xué)力。通過鎖相放大器對與光學(xué)力相關(guān)的AC橋信號進(jìn)行測量,并且可以添加一個(gè)伺服控制器用于C1電極間距的閉環(huán)控制。
開環(huán)布置是高度非線性的。需要仔細(xì)表征以確定初始零點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài),以正確測量傳感器對激光功率的響應(yīng)。
為了增強(qiáng)性能,他們計(jì)劃采用閉環(huán)零指示器方法,這種方法在高性能測量中很常見,通過一個(gè)伺服控制器用靜電力將傳感硅板偏轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)的偏置點(diǎn)。然后,當(dāng)兩個(gè)硅板之間的間距減小時(shí),伺服控制器調(diào)節(jié)該偏置力以使MEMS彈簧和硅板返回其原始零位。
雖然閉環(huán)架構(gòu)需要額外的電路,但它會帶來更好的性能,并消除一些誤差源,例如傳感器彈簧常數(shù)。
他們的概念驗(yàn)證裝置使用250 W激光器在開環(huán)下運(yùn)行。其響應(yīng)時(shí)間低于20 ms,本底噪聲為2.5 W/√Hz。
研究人員明確指出,這項(xiàng)研究目前仍處于早期階段。除了電路噪聲外,還需要考慮和校準(zhǔn)許多二階和三階誤差因子,以提高靈敏度和穩(wěn)定性(包括空氣介電常數(shù))。通過進(jìn)一步的研究,他們希望制造出可用于1 W ~ 1 kW功率的傳感系統(tǒng)。該功率測量子系統(tǒng)甚至可以封裝在激光系統(tǒng)和光路中,以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的實(shí)時(shí)讀出,從而帶來顯著的實(shí)際效益。
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