Лазерный мир

Силаева Е.В., Бутузов С.А. // Поволжский Государственный Университет Сервиса

Использование электромагнитного излучения атомов и молекул стало возможным после создания квантовых усилителей в волновом и оптическом диапазонах или, как их принято называть, мазеров и оптических квантовых генераторов (лазеров). В последнее время созданы полупроводниковые оптические квантовые генераторы, главной особенностью которых являются миниатюрные размеры и высокий, приближающийся к единице коэффициент полезного действия (для сравнения укажем, что коэффициент полезного действия возбуждаемых вспышкой света газовых и кристаллических оптических квантовых генераторов не превышает 1%).

Квантовые усилители и генераторы уже широко применяются в технике связи для создания новых технологических процессов обработки материалов в медицинском оборудовании и т.д. В метрологии они используются как генераторы стандартной частоты и служат для эталонирования единицы времени, обеспечивая высокую точность воспроизведения секунды. С этой точки зрения квантовые генераторы можно рассматривать как новый вид часов, а именно как «молекулярные часы».

Изобретение лазеров и мазеров открыло новые возможности для метрологии не только в отношении эталонирования времени и частоты, но и в других направлениях. Так, лазеры с большим успехом могут быть использованы в качестве мощных источников когерентного излучения при интерференционных измерениях длин с большой точностью, а следовательно, для создания новых методов нанесения линейных шкал и т.п. Преимущество применения лазеров в качестве источника оптического излучения по сравнению с криптоновой лампой заключается в значительно большей степени когерентности излучения лазера. Поэтому на основе лазера можно создать интерферометры с длиной плеча в 100 и более метров вместо нескольких дециметров, доступных для криптонового интерферометра, и тем самым значительно повысить точность измерений длины.

Лазер -уникальный источник излучения, удачно сочетающий такие свойства, как высокая монохроматичность, малая расходимость луча и большая интенсивность, благодаря чему он (в сочетании с оптико-электронными устройствами) оказался одним из лучших средств для измерения длин, скоростей и оптических характеристик различных сред. С помощью лазерного интерферометра в весьма широком диапазоне можно измерить всё, что влияет на оптическую длину измерительного плеча. Это, с одной стороны, линейные перемещения и производные от них- скорости и ускорения, а с другой стороны, показатель преломления среды и влияющие на него параметры: давление, температура, содержание примесей различных веществ и т.д.

Разрешающая способность лазерного интерферометра чрезвычайно высока. Уже сегодня с его помощью можно зарегистрировать измерения длины на тысячной доли ангстрема, т.е. на 10-13 м.

Перспективность лазерной интерферометрии характеризуется ещё и тем, что высокая интенсивность излучения лазера позволяет создавать оптические системы, на работу которых не влияют вибрации, шум, внешнее освещение и даже некоторая запылённость воздуха.

Безусловно, по экономическим, а иногда и по техническим причинам лазерный интерферометр целесообразно использовать далеко не для всех тех видов измерений, где он принципиально применим.

Областей эффективного применения лазерных измерительных систем уже достаточно много, и по мере прогресса лазерной техники число их непрерывно увеличивается. Их, прежде всего, используют в линейных измерениях, в самых широких диапазонах. Лазерные интерферометры с диапазоном измерения до 200 мм уже используют в микроэлектронике при изготовлении интегральных схем. Для нанесения элементов интегральных схем необходимо проводить их по кадровое проекционное впечатывание на подложку. При этом каждый следующий кадр должен впечатываться после перемещения подложки на строго определённый размер. От точности перемещения зависит совмещение элементов, а также максимальный размер подложки. С использованием двухкоординатного лазерного интерферометра удалось примерно в 10 раз точнее, чем раньше, контролировать перемещение столика с подложкой.

Лазерные системы имеют очень большую скорость получения данных. В зависимости от конкретных требований используются разные технические подходы. Они находят широкий спектр применения, например, в области архитектуры, контроля на производстве, анализа мест происшествий, в военных целях и т.д.

Некоторые из наиболее важных технологий, используемых для лазерных измерений расстояний описаны ниже.

Триангуляция – геометрический метод, используемый для измерения расстояния в диапазоне от 1 мм до многих километров.

Времяпролётный метод (или импульсный метод) – основан на измерении времени прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно. Такие методы обычно используются для больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. Используя передовые технологии, можно измерить расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Типичная точность простых устройств измерения коротких расстояний равна нескольким миллиметрам или сантиметрам.

Метод фазового сдвига использует модулированный по интенсивности лазерный луч. По сравнению с интерферометрическим методом, его точность ниже, но он позволяет однозначные измерения на больших расстояниях и больше подходит для целей с рассеянным отражением. Отметим, что методику фазового сдвига иногда, называют методом времени пролёта, так как сдвиг фазы пропорционален времени пролета, но этот термин является более подходящим для метода, описанного выше, где измеряется время пролета светового импульса.

Методы частотной модуляции используют частотно-модулированные лазерные лучи, например, с повторяющимся линейным законом изменения частоты. Измеряемые расстояния могут быть переведены в смещение частоты, которые могут быть измерены с помощью биения исходящего и принятого пучка.

Интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей длину волны используемого света.

На малых расстояниях, иногда используются ультразвуковые дальномеры, регистрирующие время пролета звука до объекта. При этом устройство может содержать лазерный указатель только для задания правильного направления, а не для измерения самого расстояния.

Лазерный радар – устройство, которое использует один из методов измерения расстояния, описанных выше, и сканирует заданное направление в двух измерениях. Это позволяет получить изображение, или, точнее, профиль данного объекта, как требуется, например, в робототехнике. Для получения таких профилей с более высокой скоростью существуют сенсорные чипы, похожие на ПЗС (приборы с зарядовой связью) со встроенной аппаратурой для измерения фазовых сдвигов, так что расстояния для каждого пикселя могут быть измерены одновременно. Это позволяет быстро получать трехмерные изображения с помощью компактных устройств.

По сравнению с ультразвуковыми или радио- и микроволновыми устройствами (радарами), основное преимущество лазерных методов измерения расстояния в том, что лазерное излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет направить узкий сканирующий пучок и, таким образом, достичь более высокого пространственного разрешения. Еще одно преимущество в том, что оптический полосовой фильтр позволяет очень эффективно отсечь шум, возникающий от других оптических частот.

Как и практически при всех других методах измерения с использованием лазеров, при лазерном измерении расстояния присутствует лазерный шум. Другие, связанные с шумом проблемы могут возникнуть в результате шума детектирования, рассеивания света, и спекл-эффектов. Цели могут обладать различными свойствами отражения и рассеяния. Проблемы могут возникнуть из-за очень низкого отражения или из-за зеркального отражения.

Следует обратить внимание, что использование лазеров поднимает серьезные вопросы безопасности, особенно при использовании коротких интенсивных импульсов с модуляции добротности. Связанные с этим опасности могут быть сильно уменьшены за счёт использования безопасных для глаз длин волн лазеров.

Библиографический список

1. Иванов В.С., Котюк А.Ф., Либерман А.А., Овсик Я., Улановский М.В., Фотометрия и радиометрия оптического излучения (общий курс) – М. Полиграф Сервис, 216 с., 2009 г.

2. Золотаревский Ю.М., Мнев И.В. Исследование метрологических характеристик калориметрических преобразователей энергии импульсного лазерного излучения. Измерительная техника, 2008, № 4, с. 19-22

3. Золотаревский Ю.М., Ковалев А.А., Костин А.А., Котюк А.Ф., Либерман А.А., Моисеев С.В. Компьютерное моделирование оптического радиометра – Измерительная техника, 327с., 2009 г.

4. Русинов М.М. Вычислительная оптика. Справочник – Либроком, 424с., 2009 г.

5. http://www.laser-portal.ru/content_525

Источник: http://www.rusnauka.com/19_TSN_2014/Tecnic/0_169418.doc.htm