NIST refinando a medição de potência a laser acima de 20 ordens de magnitude

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Os engenheiros sabem que medir CC ou energia elétrica de baixa frequência é bastante simples, mas essas medições se tornam mais difíceis à medida que você aumenta o espectro para a faixa de dezenas de gigahertz. Ainda assim, esse é apenas o começo da parte realmente desafiadora da gama de espectros. A potência óptica de origem laser é ainda mais difícil de medir, devido ao seu amplo espectro (IR, visível e UV), sensores com sensibilidade espectral limitada e ampla faixa dinâmica. No entanto, à medida que componentes ópticos e optoeletrônicos se tornam partes cada vez mais críticas do sistema, a avaliação de parâmetros básicos, como a potência óptica, se torna ainda mais importante.

A faixa dinâmica de potência óptica em aplicações de projetos de pesquisa avançados a uso industrial é realmente impressionante, começando com baixos níveis de “contagem de fótons” em apenas 103 fótons / s (~ 10-15 W). Esses pequenos quanta de energia são nervosos, esquivos e não gostam de tirar fotos (por assim dizer), ao mesmo tempo em que tentam tocá-los ou serem tocados por eles também os muda. No outro extremo da faixa de potência, existem lasers de 100 kW que podem queimar aço (~ 1023 fótons / s a ​​1070 nm) e, portanto, destruirá facilmente qualquer sensor de potência.

Os problemas das medições precisas de potência óptica são bem conhecidos pelas comunidades de ciência e engenharia, enquanto a necessidade delas está aumentando drasticamente. Por esse motivo, os pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) procuram unificar e esclarecer suas técnicas díspares. O novo estudo foi realizado no contexto dos serviços de medição e calibração de potência do laser do NIST, oferecidos pela primeira vez em 1974.

Sua análise começou como uma visão geral dos muitos métodos usados ​​para comprimento de onda e nível de potência (ver tabela).

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Tabela do poder óptico de Nist do interesse do Ed

Serviços de medição de potência a laser suportados no NIST. A incerteza expandida relativa ̂ representa um fator de cobertura k = 2 que define um intervalo com um nível de confiança de aproximadamente 95%. Os números em [brackets] consulte as referências no artigo publicado. †† A incerteza expandida relativa dos padrões secundários é relatada desde a rastreabilidade até o radiômetro criogênico otimizado para laser (LOCR). * O bolômetro de média potência “Next Generation C” ainda está em desenvolvimento, mas está incluído aqui para fins de completude. ** Para o medidor de potência de pressão de radiação (RPPM), a faixa de potência superior é listada como 50 kW apenas porque é a potência mais alta para a qual foi rigorosamente testada – espera-se total operacionalidade em potências mais altas.

No método térmico amplamente utilizado, a saída do laser é focada em um detector especialmente revestido, e a mudança na temperatura do detector (ainda que minúscula) é medida. Essa alteração é então comparada à quantidade de energia elétrica necessária para gerar uma quantidade equivalente de calor (Figura 1). Este método pode ser rastreado indiretamente para as unidades SI através da volt e do ohm, que são “unidades derivadas” baseadas em equações desenvolvidas pelo NIST usando várias unidades SI. O equipamento correspondente para medir o watt óptico dessa maneira é grande e não é portátil.

Ed Interest Nist Optical Power Fig1

1. Na abordagem de substituição elétrica para medir a potência do laser de entrada, o absorvedor óptico é instrumentado com um termômetro (temperatura de medição T), um medidor de corrente (corrente de medição I) e um voltímetro (tensão de medição V). O incidente da luz laser no absorvedor óptico causa um aumento na temperatura do absorvedor. Alternativamente, uma tensão de corrente contínua (dc) V0 0 aplicado ao aquecedor resistivo pode ser usado para causar um aumento de temperatura igual para uma energia elétrica conhecida com precisão VI. Medições para caracterizar a equivalência entre aquecimento óptico e elétrico permitem uma medida precisa da potência do laser em função da temperatura do absorvedor.

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Em vez disso, o NIST quer focar na medição da potência do laser, comparando a potência óptica à força da gravidade em uma massa de referência ou uma força equivalente, seguindo a recente redefinição de massa (quilograma) em termos de unidades absolutas e um padrão reproduzível. do que um artefato físico primário e discreto.1 1 O resultado é medido em miligramas (massa) ou micronewtons (força) e pode ser usado para calcular a potência óptica (Figura 2).

Ed Interest Nist Optical Power Fig2

2. O NIST está buscando fazer a transição de suas técnicas fundamentais para medir a potência óptica do laser de uma abordagem térmica para uma abordagem de pressão de radiação, em todo o intervalo de nível de potência.

A medição da potência do laser baseada em pressão de radiação permitiria ao NIST definir e medir completamente o watt óptico diretamente através da metrologia de força, que tem o potencial de reduzir a incerteza de medição da radiometria de potência do laser.2

Os medidores de energia padrão primários do NIST são o radiômetro criogênico otimizado a laser (LOCR), que atualmente possui a menor incerteza de medição, e o medidor de potência de pressão de radiação (RPPM), que possui um caminho de rastreabilidade exclusivo através do quilograma. Portanto, o jornal NIST comparou seus outros medidores de energia com esses dois padrões primários (Fig. 3).

Ed Interest Nist Optical Power Fig3

3. Ilustração das comparações diretas realizadas entre os vários medidores de potência, indicando a potência e o comprimento de onda em que cada um foi realizado. As caixas de preenchimento sólido indicam padrões primários, enquanto as caixas de contorno indicam padrões secundários (de transferência).

Os pesquisadores do NIST também estão procurando vincular seu trabalho ao desenvolvimento de um conjunto de padrões primários “sincronizados” com as recentes redefinições do SI (Fig. 4). Portanto, ofereceria medições mais confiáveis ​​com base em propriedades fundamentais da natureza presumivelmente imutáveis.

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Ed Interest Nist Optical Power Fig4

4. Mapa de rastreabilidade para os padrões de medição de potência a laser primários e secundários do NIST. Os padrões secundários (de transferência) são abreviados como “OFPM” (medidor de potência de fibra óptica), “Trap” (detectores de fotodíodo à base de sílica / germânio), SPAD (fotodiodo de avalanche de fóton único) e “Termopilha” (termopilha à base de termopilha detector). Os padrões primários são descritos como “OFCR” (radiômetro criogênico de fibra óptica), “LOCR” (radiômetro criogênico otimizado para laser), “C” (calorímetro isoperibol de faixa de potência média), “” FWOPM “(medidor óptico de energia da água corrente ), “K” (calorímetro de isoperibol de faixa de alta potência) e RPPM (medidor de potência de pressão de radiação). As constantes definidoras relevantes são e (carga eletrônica), h (constante de Planck), Dn (frequência de divisão hiperfina de césio) ec (velocidade da luz no vácuo).

O esforço do NIST é detalhado no artigo longo, porém legível, “Meta-estudo das calibrações de potência do laser que varia de 20 ordens de grandeza com rastreabilidade ao quilograma”, publicado em Metrologia, com 14 autores representando diferentes especialidades do NIST e apoiados por 63 referências. O artigo é uma boa revisão do estado da arte no que diz respeito à precisão e incerteza das técnicas de medição de potência a laser.

Referências

1. Design Eletrônico, “Desculpe, quilograma primário, mas estamos despejando você

2. NIST, “Medindo a potência do laser de vários quilowatts com a pressão da luz”

*As fotos exibidas neste post pertencem ao post www.electronicdesign.com

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