Умное зеркало на базе MEMS измеряет мощность лазера

Умное зеркало на базе MEMS измеряет мощность лазера

Выпуск 5(6679) от 07 марта 2019 г.
РУБРИКА: МEMS/NEMS

В Национальном институте стандартов и технологий США разработали метод измерения мощности лазера среднего диапазона с помощью конденсаторного устройства с параллельными пластинами на базе MEMS. Метод основан на измерении давления излучения, оказываемого на зеркальную верхнюю пластину, и результирующего изменения емкости между пластинами.

Измерение мощности лазера – ​сложная задача, над которой работают в Национальном институте стандартов и технологий США. Один из способов ее решения предполагает использование датчика, фиксирующего температурные изменения, однако такой метод не позволяет производить измерения в рабочем режиме лазера. Если речь идет о чрезвычайно мощных лазерах, применяемых для резки и сварки металлов, высок риск сжечь датчик температуры.

Первоначально для проведения измерений мощности лазеров в диапазоне до 500 кВт в рабочем режиме в Национальном институте стандартов и технологий США была разработана система, в которой зеркало перехватывает и отражает 99,9% луча, что позволяет производить измерения. Для пучка мощностью 100 кВт компактная установка способна измерить давление излучения фотонов с высокой точностью: его значение составило около 330 мг. Однако предложенный подход не подходит для измерения пучков с гораздо меньшей интенсивностью (на уровне нескольких сотен ватт), и, продолжая исследования, ученые разработали умное зеркало, в котором лазерный свет отражается от поверхности кремниевой пластины брэгговского отражателя (рис. 1). Компактные размеры устройства позволяют встраивать его в оптический тракт, что обеспечивает возможность производить измерения в рабочем режиме лазера.



Источник: Национальный институт стандартов и технологий США

Рисунок 1. Прототип умного зеркала: кремниевая пластина брэгговского отражателя расположена в центре черного пластикового кольца


Основа датчика – ​конденсатор на базе MEMS, который состоит из двух одинаковых пластин размером около 20 мм в поперечнике, размещенных на расстоянии 42,5 мкм друг от друга (рис. 2а). В верхней пластине размещен чувствительный элемент – ​кремниевый диск с зеркальным покрытием (а), прикрепленный к кремниевому кольцу (б) через три спиральных ножки шириной 265 мкм, толщиной 380 мкм и длиной 45 мм (в). Это распределенный брэгговский отражатель – ​зеркало с высокой отражающей способностью, выполненное из чередующихся слоев кремния и диоксида кремния. В отличие от традиционных зеркал, особенности пространственного расположения слоев позволяют настраивать его для достижения максимальной отражающей способности на желаемой длине волны. На задней стороне каждого диска расположена пара проводящих электродов (г), фиксирующих изменение емкости конденсатора. Металлизированная подложка (д) обеспечивает электрические соединения (e) с сенсорной электроникой.



Источник: Национальный институт стандартов и технологий США

Рисунок 2. Схема (а) и фотография (б) датчика умного зеркала


Пластины движутся почти идентично, что позволяет им подавлять синфазные механические шумы, связанные с вибрацией или наклоном. Таким образом, на результат измерений давления излучения не оказывают влияние внешние воздействия.

Свет, падающий на верхнюю пластину, создает силу, перемещающую ее ближе к нижней пластине, что приводит к изменению емкости конденсатора сборки (фотонное давление напрямую зависит от расстояния между пластинами). В созданном прототипе умного зеркала для регистрации изменения емкости конденсатора используются весы в разомкнутом контуре без обнуления электростатической силы (рис. 3). Датчик выполнен в виде моста, который приводится в действие синусоидальной волной, при этом выходной сигнал усиливается и синхронно демодулируется для подавления низкочастотного шума.



Источник: Национальный институт стандартов и технологий США

Рисунок 3. Упрощенная блок-схема весов, фиксирующих изменение емкости конденсатора


На упрощенной блок-схеме весов, фиксирующих изменение емкости конденсатора, оптическая сила F действует на переменный конденсатор C1. Блокирующий усилитель измеряет сигнал моста переменного тока, который зависит от силы F. Для управления замкнутым контуром между электродами C1 может быть добавлен сервоконтроллер. С помощью конденсатора CB в электронных показаниях моста переменного тока учитывается электростатическое смещение постоянного тока.

В ходе проведенных экспериментов был задействован лазер мощностью 250 Вт. Время отклика не превышало 20 мс, минимальный уровень шума составлял 2,5 Вт/Гц.

Результаты измерений в разомкнутом контуре характеризуются высокой нелинейностью, и для правильной оценки чувствительности датчика к мощности лазера требуется максимально точно определить начальное состояние покоя нулевой точки. В дальнейших исследованиях ученые Национального института стандартов и технологий США планируют перейти на метод нулевого индикатора с замкнутым контуром, при котором сервоконтроллер будет использовать электростатическое смещение для отклонения сенсорной пластины до предварительно установленной точки смещения. При уменьшении расстояния между двумя пластинами сервоконтроллер регулирует силу смещения для их возвращения в исходное нулевое положение. Хотя архитектура с замкнутым контуром требует задействования дополнительных электронных схем, ее применение позволяет существенно улучшить производительность и повысить точность измерений.

Исследование Национального института стандартов и технологий США только началось. В дальнейшем планируется снизить уровень шума умного зеркала, повысить чувствительность и стабильность его работы, улучшить точность измерений. Также ученые намереваются создать систему датчиков, способную в режиме реального времени непрерывно измерять мощность лазеров в диапазоне от 1 Вт до 1 кВт.

 

Schweber Bill. MEMS-Sprung Mirror Enables In-Path Laser-Power Measurement. ElectronicDesign, February 2, 2019: https://www.electronicdesign.com/power/mems-sprung-mirror-enables-path-laser-power-measurement


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 8(6732) от 22 апреля 2021 г. г.
Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г. г.