測(cè)量激光的功率是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。我們可以將激光能量匯聚到傳感器上，并測(cè)量由此產(chǎn)生的溫升，或用已知部分光束的功率來(lái)測(cè)算被測(cè)激光。對(duì)于第一種選擇，激光必須從正常傳播路徑切換（轉(zhuǎn)移），因此，它不能在生產(chǎn)中應(yīng)用。在這兩種選擇中，如果面對(duì)用于金屬切割和焊接等應(yīng)用的極高功率激光器，很容易因?yàn)椤疤幹貌划?dāng)”，而燒毀傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員顯然意識(shí)到了這些挑戰(zhàn)，并在最近設(shè)計(jì)了一種測(cè)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(lái)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(lái)測(cè)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(wú)法兼容強(qiáng)度低得多的數(shù)百瓦量級(jí)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(cè)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(jiǎn)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(huì)干擾激光的使用，這在實(shí)際應(yīng)用中是一大優(yōu)勢(shì)。


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(guò)三個(gè)窄螺旋支架（寬度為265 um，厚度為380 um，長(zhǎng)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(guò)調(diào)諧交替層的間隔和分布，它能夠在所需波長(zhǎng)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(dòng)，因而可以抑制共模機(jī)械噪聲，例如振動(dòng)或傾斜。研究員John Lehman評(píng)價(jià)說(shuō)：“如果設(shè)備受到物理移動(dòng)或振動(dòng)，兩塊板都會(huì)一起運(yùn)動(dòng)，因此硅板上的凈力主要是輻射壓力，而不會(huì)受到任何環(huán)境影響。”

投射到上方硅板上的激光會(huì)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(cè)量電容的變化，原型裝置采用了開(kāi)環(huán)信號(hào)處理測(cè)重（圖3）。


圖3 簡(jiǎn)化框圖展示了施加到可變電容器C1的光學(xué)力。通過(guò)鎖相放大器對(duì)與光學(xué)力相關(guān)的AC橋信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(kāi)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(cè)量傳感器對(duì)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(cè)量中很常見(jiàn)，通過(guò)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(huì)帶來(lái)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(kāi)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(guò)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(cè)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(lái)顯著的實(shí)際效益。