علم پیچیده و مهم اندازه گیری قدرت لیزرها

[Almas Parsi]

علم پیچیده و مهم اندازه گیری قدرت لیزرها




اندازه گیری دقیق پرتوهای لیزری یک عمل دشوار می باشد. تقریبا به اندازه انواع مختلف لیزرهای موجود، متر و میزان سنج های متفاوتی نیز موجود است و هیچ کدام از آن ها نیز ارزان قیمت نمی باشند.

گروهی از محققان NIST و دانشمندان کلرادویی به تازگی شیوه ای جدید را برای اندازه گیری این انواع لیزرهای با قدرت بالا ابداع کرده اند.
این راه حل طبق اعلام آن ها مبتنی بر اندازه گیری وزن پرتوها می باشد.

روش استاندارد برای اندازه گیری قدرت یک پرتو استفاده از آن برای گرم کردن یک آشکارساز می باشد. این قدرت می تواند با انرژی الکتریکی معادل مقایسه شود که باعث تغییراتی در درجه حرارت معادل خواهد شد.

یک آشکارساز معمولا دارای پوششی ویژه برای جذب انرژی پرتو می باشد و چند لحظه ای برای ادغام سیگنال ها در آن زمان خواهد برد.

از یک دستگاهی شناخته شده با عنوان یک کره یکپارچه سازی، که اساسا یک توپ بازتابنده توخالی با یک پورت ورودی و یک پورت خروجی است، گاهی در خطوط پرتو برای روان ساختن بی نظمی ها استفاده می شود.

سپس یک جبهه یکنواخت در آشکارساز ارائه خواهد شد که به طور قابل توجهی دقت را افزایش می دهد.مشکلات در سطوح قدرت بالاتر این است که هر دستگاهی که برای کنترل پرتو استفاده شود (مانند یک آینه، عدسی یا جاذب) گرایش به گرم شدن و ایجاد تحریف و اعوجاج هایی پیدا می کند.

راه حل عقلی و منطقی این مشکل تنها کاری است که مادربزرگ هایمان در درست کردن سس گوجه فرنگی انجام می دادند، به جای بلند کردن کل دیگ بخار به سمت دهان، تنها مقداری از آن را با قاشق مزه می کنند.

عمل مشابه ای نیز برای سیستم های لیزری انجام می شود به این صورت که تنها قطعه ای کوچک از پرتو گرفته می شود.

یک لیزر با قدرت بالا می تواند اشیایی مانند یک ورق فلزی را در سرعت باور نکردنی برش دهد به طوری که برش 100 اینچ در هر دقیقه برای بخشی نازک سرعت بالایی به حساب نمی آید.

به منظور انجام این کار نیاز است که قدرت آن به طور دقیقی کنترل شود بنابراین قطعه مورد نظر به خوبی برش داده می شود و قدرت استفاده شده نیز بیش از حد نیاز نخواهد بود.

محققان برای مدت زمان طولانی تصور می کردند که بیش از یک پرتو برای گرما وجود دارد.

برای مثال اصطلاح فشار تابشی یک پرتو به عنوان یک منبع پیشران ممکن برای فضاپیماها پیشنهاد داده شد به طوری که یک بادبان بزرگ پرتو را تصرف می کند و فضاپیما می تواند به سرعت به شتاب های بالا برسد. فشار تابشی اخیرا برای شناور سازی اشیای کوچک نیز استفاده شده است.

دانلود کلیپ

برای درک اینکه چگونه محققان NIST موفق به ثبت وزن یک پرتو نور شده اند، مثالی ساده را بیان می کنیم. انرژی کلی یک جت آبی واشر قدرت چه می باشد؟ پاسخ دادن به سوال های ساده ای همچون این پرسش، دشوار می باشد زیرا اندازه گیری همزمان و مستقل تمامی شکل های فیزیکی دارای انرژی تقریبا غیرممکن می باشد. احتمالا از یک کمپرسور پنج اسب بخار برای تحت فشار قرار دادن یک جت آبی استفاده می شود اما حتی برای اندازه گیری یک اسب بخار در جت واقعی با برخی از انواع آشکارسازهای فشاری خوش شانس خواهیم بود.ممکن است تصور کنیم انرژی کلی جت آبی ما توسط پیش گرم سازی آب با یک مشعل پروپانی همانند واشرهای صنعتی افزایش می یابد. قدرت یونی اضافی آب گرم ممکن است برای از بین بردن مواد روغنی و یا برداشتن دوده بسیار قابل توجه باشد اما برای اندازه گیری تاثیر آن برخی دیگر انواع آشکارسازها مورد نیاز خواهند بود. نوع دیگری از انرژی ممکن است انرژی پتانسیل ذاتی باشد. برای مثال جت آبی می تواند انرژی شیمیایی را حمل کند. انرژی ای که در صنعت لیزر بدان احتیاج است، بستگی به نوع اشیای برش دارد. از آنجایی که مواد متفاوت فرکانس های متفاوتی از نور را جذب می کنند، این انرژی مبتنی بر خواص ذاتی پرتو مانند طول موج می باشد.محققان Scientech به این مساله پی بردند که حرکت لیزر با قدرت بالا می تواند به عنوان جانشین قابل اعتمادی برای قدرت آن در هنگام برش استفاده شود. توسط پرش پرتوی کلی به خارج از یک آینه معلق در یک تعادل حساس آزمایشگاهی، آن ها توانستند به پرتوهایی دست یابند و آن را اندازه گیری کنند.

این آینه کمتر از %0.3 از پرتو را جذب کرده و نیاز به هیچ گونه سیستم خنک کننده جهت حفظ آن ندارد.

هنگامی که محققان از مقیاس قدرت خود بر روی 100 کیلو وات لیزر CO2 استفاده نمودند، نیروی حاصل را حدود 0.7 میلی نیوتون اندازه گیری کردند که معادل جرم 70 میلی گرمی می باشد.

برش های لیزری در این عظمت با پرتوهای با قطر بزرگ کار می کنند زیرا انرژی آن می تواند توسط سیستم های اپتیک بهتری در هنگام انتشار مدیریت شود.

تنها در نقطه برش پرتو با شدت بالایی تمرکز می کند.
آینه استفاده شده برای تعادل یک ویفر سیلیکونی (silicon wafer) با پوشش طلا بوده و لزوما باید کاملا بزرگ و با قطر حدود هشت اینچ باشد.

محققان اکنون بر روی کوچک و قابل حمل سازی دستگاه خود کار می کنند.

یک آینه کوچک تر همچنین می تواند دقیق تر نیز باشد زیرا کمتر تحت تاثیر جریان های هوایی که موجب خطا می شود قرار می گیرد.

استفاده از اندازه گیری های فشاری برای ارزیابی قدرت به طور بالقوه می تواند موجب تغییر ناگهانی صنایع برش لیزری شود.

این فناوری هرگز منجر به بازتعریف بسیار مورد نیاز استاندارد کیلوگرم نخواهد شد بلکه برای اندازه گیری دقیق و سریع لیزر توان بالا احتمالا ابزار کاملی خواهد بود.



منبع : ExtremeTech