레이저는 용접, 3D 프린터 자동차 엔진 부품 제작 등 다양한 제조 프로세스에서 중요한 역할을 하지만 현재까지는 제조 공정 중 실시간으로 레이저를 정밀하게 측정 할 수 있는 방법이 없었다.

미국 국제표준기술연구소(NIST) 연구자들은 실시간 측정을 위해 제조 장치에 내장 할 수 있는 레이저 전력 센서를 개발, 10월 IEEE센서 저널에 최신 프로토 타입 결과를 게재키로 했다.

새로운 장치는 방사압, 빛이 물체에 가하는 힘에 등 팀이 만든 이전 센서와 유사한 방식으로 작동한다. 그러나 수천 와트의 초 고출력 레이저를 위한 구두상자 크기 “RPPM (방사압 센서)”과 같은 기존의 장치와 달리, 칩 크기 “스마트 미러”는 제조 공정상 수백 와트의 범용 레이저로 설계됐다.

NIST의 존 리먼(John Lehman)은 “여전히 방사압 센서이지만, 훨씬 더 작고 훨씬 빨라서 큰 센서의 측정 속도의 250 배에 달한다”고 말했다. 스마트 미러는 RPPM보다 약 40 배 더 민감하다.

이 신기술을 잠재적으로 사용할 수 있는 제조 공정에는 항공기 및 자동차에서 휴대폰 및 의료 기기에 이르기까지 모든 것이 포함된다. 스마트 미러는 또한 물체를 형성하는 재료를 녹이기 위해 종종 레이저를 사용해 층별로 물체 층을 만드는 3D 프린트 유형 첨가물 제조 기계에 사용될 수 있다.

NIST에 따르면 이 기술은 레이저 기반 시스템 전반에 표준화된 품질 보증을 제공, 부품 자격 프로세스를 가속화하는 데 도움이 될 것이다.

레이저 파워를 측정하기위한 종래의 기술은 빔의 모든 에너지를 열로서 흡수하는 장치를 필요로했다. 온도 변화를 측정하면 연구자는 레이저의 전력을 계산할 수 있다.

이 전통적인 방법의 문제점은 측정에 레이저 빔의 모든 에너지를 흡수해야 하는 경우 제조사가 빔을 실제 무언가에 사용하는 동안 측정 할 수 없다는 것이다.

복사압은 이 문제를 해결한다. 빛은 질량이 없지만, 그것이 운동형식으로 발현되 대상에 조사될때 힘을 만들어낸다. 1 킬로와트 (kW) 레이저 빔은 모래 한 톨의 작은 무게 정도 눈에 띄는 힘을 가지고 있다.

반사 표면에 레이저 빔을 비추고 빛의 압력에 반응해 표면이 얼마나 움직이는지를 측정함으로써 연구자는 레이저의 힘을 측정 할 수 있다. 제조 작업 중에는 표면에서 직접 튀어 오르는 빛을 직접 사용할 수 있다.

어떻게 작동 하는가?

스마트 미러는 언젠가 비행기, 자동차, 휴대 전화 등을 만드는 제조 프로세스에 통합 될 수 있다. 연구원들은 이 장치가 제조업체가 부품 자격 프로세스를 가속화하여 제품이 엔지니어링 사양을 충족 할 수 있도록 도와 줄 수 있다고 말한다.

수백 와트 범위에서 제조에 사용되는 범위의 레이저 광은 플레이트를 멀리 옮길 만큼 강력하지 않으나, 실내의 물리적 진동으로 인해 상부 판이 측정하도록 설계된 작은 신호를 낼 수 있다.

NIST의 연구자들은 진동에 센서를 둔감하게 만들었다. 상부 및 하부 플레이트는 모두 스프링에 의해 장치에 부착된다. 누군가가 방 안의 문을 닫거나 탁자를 지나갈 때 진동과 같은 주변적인 영향으로 인해 두 판이 나란히 움직인다. 그러나 상부 판에만 영향을 주는 힘은 독립적으로 움직인다.

리먼은 “장치가 물리적으로 움직이거나 진동하면 두 판이 함께 움직이기 때문에 연결되는 힘은 엄밀히 주위의 영향보다는 방사압력”이라고 말한다.

이 기술을 적용, 센서는 수백 와트의 레이저에 대해 2.5 와트의 배경 잡음 수준으로 정밀하게 실시간 전력 측정을 할 수 있다. 2 년 전까지는 할 수 없었던 일이다.

현재 프로토 타입 센서는 250 와트의 레이저 출력에서 테스트됐다.