Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 29 (всего у книги 31 страниц)

Измерительные системы

Свет используется для измерений во многих случаях. Это системы различных интерферометров, позволяющие измерять малые перемещения, контроль поверхности, с высокой точностью порядка длины волны света.

Область оптических, бесконтактных, измерительных систем очень широка. Она простирается от исследовательских лабораторий до промышленных предприятий. Поэтому имеется большая заинтересованность в разработках и распространении таких систем. Они используются для измерений размеров предметов или их перемещения, для измерения и контроля вибраций, измерения скорости и для контроля состояния поверхности. Для этого удобно использовать лазерные диоды, свет которых можно коллимировать и фокусировать на исследуемый объект.

Система бесконтактного оптического измерения обычно включает три принципиальные части: измерительная головка, система электроники, система регистрации и обработки информации. Принципиальным преимуществом бесконтактных измерений является полное отсутствие воздействия на объект и высокая скорость измерений, которая в некоторых случаях может превышать 25 000 измерений в секунду.

Обычно профиль линии на некоторой механической поверхности измеряют путем проведения вдоль этой линии некоторого щупа, который касается поверхности, и измерения его смещений. Таким щупом обычно служит алмазная игла, зона контакта которой имеет диаметр несколько мкм. Вертикальные перемещения иглы, следующие за нерегулярностями поверхности, измеряют, и это представляет рельеф поверхности (шероховатость). Такие инструменты улучшались в течение ряда лет, и в настоящее время они обычны в измерительных лабораториях. Эквивалентный оптический инструмент использует вместо алмазной иглы хорошо коллимированный пучок лазерного диода, который фокусируется объективом на поверхность. Отраженный свет собирается тем же объективом. Этот отраженный свет несет информацию о шероховатости поверхности. Когда система правильно настроена и сбалансирована и точка фокуса находится точно на поверхности, тогда отраженный свет формируется после объектива в хорошо коллимированный пучок. Если поверхность ближе к объективу, тогда пятно на поверхности уже не является пятном совершенной фокусировки, и после объектива формируется расходящийся пучок. Наоборот, в случае, если поверхность находится за точкой фокуса, при отражении получается сходящийся пучок. Существуют оптические устройства, позволяющие точно измерить степень сходимости или расходимости пучка. Соответствующим образом система вырабатывает сигнал ошибки для управления сервомеханизмом (обратная связь), который поддерживает точное фокусирование на поверхность. Знание перемещений сервомеханизма при движении пучка вдоль поверхности дает измерение рельефа. Аналогичная система используется в системах компакт-дисков. Поэтому в ней исключаются влияния нерегулярности поверхности и системы вращения диска.

Оптический профилометр позволяет измерять смещения с точностью до нескольких ангстрем, без прямого контакта с любой механической частью. Как было сказано, этот принцип важен для устройств компакт-дисков. Но он также важен в тех случаях, когда нужно избежать повреждения поверхности, в частности для нежных, хрупких поверхностей, например, резиновых и пластиковых пленок, биологических тканей, полупроводников. Еще одним преимуществом является то, что измерительная часть не изнашивается. Благодаря малому размеру светового пятна получается высокая разрешающая способность и скорость измерения в любом направлении.

Совершенно другим применением является лазерный гироскоп, способный измерять очень малые вращения. Первые такие гироскопы были сделаны в 1963 г. и стали развиваться с 1965 г. Принцип действия был установлен французским физиком Саньяком (1869—1928), который в 1913 г. отметил, что пучки света, распространяющиеся в противоположных направлениях по замкнутому кольцу, можно использовать для измерения вращения этого кольца. В самом деле, если точка, из которой пучки начинают свое распространение, движется по кольцу, то эти пучки должны проходить разные пути вдоль кольца до точки возврата. Этот факт легко установить с помощью интерферометра. В 1965 г. были построены лазерные гироскопы, способные обнаружить скорость вращения менее 5° за час. Подобные гироскопы и другие более совершенные версии их были установлены на самолетах Боинг 757 и 767. Такие гироскопы являются необходимой частью систем наведения.

Оптические считыватели информации в торговле

В настоящее время в каждом супермаркете и в большинстве магазинов используется система чтения универсального кода. Лазерная система читает код, записанный на товарах в виде системы линий (штрих-код). Преимущества этой системы в ускорении контроля цен и уменьшения ошибок при расчетах очевидны. Лазерный свет направляется на картину символов, последовательности параллельных линий, черных и белых разной толщины. Он частично отражается, и его интенсивность оказывается промоделированной этой последовательностью линий. Отраженный свет собирается той же системой, что и излучает свет, и из этой модуляции получается информация о виде товара и его цене, которая выводится на дисплей кассового аппарата.

Применения в строительстве

Очень часто лазер используется для проверки прямизны зданий. Способность лазерного пучка, по своей природе, распространяться прямолинейно сразу же дает такую возможность. Трудность была лишь в том, чтобы иметь достаточно компактный лазер, работающий в непрерывном режиме в видимом диапазоне. Таким лазером стал красный He-Ne-лазер. В конце 1960-х гг. системы с этим лазером использовались при прокладке туннеля в Сан-Франциско. После этого одна из фирм, производящая He-Ne-лазеры, желая привлечь покупателей к новой технике, стала окрашивать свои изделия в яркий желтый цвет, так что они стали выглядеть как обычное оборудование, применяемое в строительстве.

Подобные лазерные системы стали применяться в топографических измерениях, для прокладки дренажных труб и выравнивания их наклона, труб, используемых в сельском хозяйстве для орошений. Такие лазеры также используются при прокладке дорог. С их помощью направляются тяжелые машины, подготавливающие грунт и укладывающие покрытие дороги. Точность при ручном контроле не превышает 2 см, а при автоматическом контроле может быть доведена до 5 мм. Искривления могут быть аккуратно проконтролированы по вертикали и по горизонтали.

Атмосфера

Лазеры позволяют изучать атмосферу. Устройство, используемое для этого, называется лидаром. В лидаре, также как и в радаре, регистрируется и измеряется свет, рассеянный в обратном направлении молекулами или частицами (аэрозолями, каплями воды и др.) в атмосфере. В простейшей системе регистрируется свет, пришедший обратно, и по нему идентифицируется наличие в атмосфере водяных капель, облаков, частиц дыма и др. Таким способом можно получить профили изменения концентраций по высоте, а также изменения их во времени. При использовании лидара, работающего на двух разных длинах волн, можно также обнаружить и измерить концентрацию определенного газа. Одна длина волны подбирается для полосы поглощения этого газа, а другая располагается в области прозрачности. Разумеется, в этом случае возвращенные сигналы будут различными (непоглощенный сигнал будет сильнее). По разности сигналов можно обнаружить искомый газ и измерить его концентрацию. Такие лидары называются DIAL (лидар с разностным поглощением). Они были установлены в некоторых городах для измерения загрязняющих примесей, таких, как пестициды, дым (смог), и газов SO ₂, O ₃, NO ₂, NO, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями.

Загрязнение атмосферы городов имеет типичные источники. Ими обычно являются выхлопные газы, а также выбросы предприятий и результат сжигания отходов. Контроль и идентификация всех этих загрязнений необходимо для понимания их происхождения и для принятия мер по их уменьшению.

В Европе были проведены мероприятия по измерению городских загрязнений. В Лионе (Франция) лидар типа DIAL был установлен вблизи кафедрального собора для измерений NO, выделяемого автомобильным движением в центре города. Наибольшая концентрация была обнаружена в старой части города, где движение медленней, а вентиляция улиц затруднена. Эти результаты указали, что в этой части города следует установить пешеходную зону. В Штутгарте (Германия), который окружен несколькими холмами, при некоторых условиях наблюдается скапливание воздуха, загрязненного автомобильным движением (главным образом в результате NO), на высоте 450 м. В Берлине выбросы SO ₂оказались сильнее в восточной части города из-за низкого качества угля, который используется для отопления, а в районе Александрплатц концентрация оказалась ниже, поскольку ее сдувает юго-восточный ветер. Концентрация SO ₂является существенной причиной кислотных дождей. Она появляется при смоге, в результате обогрева домов, выбросами автомобилей и тепловых электростанций. Это было измерено в Лейпциге. Было показано, что главная проблема – автомобили и обогрев домов.

Такие измерения показали, что топографические и метеорологические условия часто играют более важную роль, чем интенсивность выделения загрязнений: в узких улицах с медленным движением загрязнение сильнее, чем в широких, проветриваемых магистралях даже с интенсивным движением.

Летом 1994 г. в Афинах Европейским Сообществом была проведена кампания для выявления фотохимических и метеорологических процессов, которые ответственны за летние туманы в этой области. Была установлена существенная роль химических реакций между NO, образующимся при автомобильном движении, и NO ₂и озоном.

Важным применением лидаров является измерение концентрации озона (O ₃) в стратосфере над Антарктикой и Арктикой. Знание концентрации и распределения озона в атмосфере имеет важное значение как для проблемы загрязнений, так и для химических процессов в тропосфере. Концентрация озона влияет на климат из-за экранирования ультрафиолетового солнечного излучения и термических и химических равновесий в стратосфере. Дело в том, что озон, присутствующий в верхних слоях атмосферы, поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение, которое имеет вредное биологическое действие, тем самым слой озона защищает поверхность Земли от чрезмерного воздействия вредного ультрафиолета. Хорошо известно, что в течение последних нескольких лет наблюдалось постоянное уменьшение толщины озонового слоя над полюсами (т.н. «озоновая дыра»). Эта дыра получается в результате химических реакций с некоторыми летучими продуктами, связанными с индустрией (например, газ фреон, используемый в холодильниках, или в аэрозольных баллончиках). Вертикальное распределение озона, которое определяет развитие «дыры» в пространстве и во времени, было измерено с помощью лидаров.

Лидар может быть использован для измерений скорости ветра, что необходимо для метеорологии и разработок моделей климата, а также для измерения скорости аэрозолей, дыма и пр. В этом случае используется эффект Доплера, заключающийся в малых изменениях частоты света, испускаемого движущимися телами, или отраженного от них. Измеряя эти изменения частоты отраженного (рассеянного в обратном направлении) света тем или иным способом, можно получить информацию о скорости. Соответствующий инструмент называется доплеровским лидаром.

С помощью лидара можно изучать конвекционные явления в облаках. Облака отражают и переизлучают инфракрасное излучение, несущее тепло. Они важны для нагрева и охлаждения атмосферы, но никто не знает, как описать их влияние. Можно также изучать водяные пары, которые играют роль в образовании ураганов. Путем измерения изменений в спектрах молекул кислорода получается информация об атмосферном давлении и температуре.

Аналогичные методики можно использовать и для морских измерений, например для измерений количеств хлорофилла и фитопланктона. Важность таких измерений очевидна, так как фитопланктон поставляет около двух третей поступающего в атмосферу кислорода. Загрязнения воды разлившейся с кораблей нефтью и другие загрязнения, а также температуру воды и ее соленость также можно измерять.

Можно также изучать явления сгорания. Целью исследовательских программ в этой области является разработка диагностических методик контроля процессов сгорания в промышленных предприятиях. Можно измерять температуру, концентрацию и скорость различных газов, а также размеры частиц дыма.

Для всех этих измерений используются лазеры самых разных типов, в зависимости от определенного применения: рубиновые, неодимовые, на красителях, диодные и др. Их стоимость может изменяться в широких пределах, они могут быть как стационарными, так и портативными, для установки на различные транспортные средства.

Адаптивная оптика

Мы теперь опишем несколько применений, которые, на первый взгляд, могут показаться из научной фантастики. Одно из них – т.н. адаптивная оптика.

Адаптивная оптика улучшает качество изображения в больших телескопах путем компенсации искажений, вызываемых атмосферой, т.е. искажений световых пучков при их прохождении через атмосферу. Такие искажения можно легко видеть, если, например, в жаркий день наблюдать пейзаж при заходящем солнце. Изображение кажется дрожащим (марево). Адаптивная оптика компенсирует эти искажения, и поэтому ее иногда называют «методикой, которая останавливает мерцание звезд». Это определение может вызвать возмущенную реакцию: «Но это ужасно, и должно быть запрещено!»

Давайте посмотрим, что получается на самом деле. Звезды расположены настолько далеко от Земли, что их свет приходит к нам в виде плоских волн (плоский волновой фронт). В теории телескоп снабжен совершенной оптикой, которая концентрирует свет в маленький, яркий кружок, размеры которого ограничены лишь явлениями дифракции, т.е. действием диаметра главного объектива или зеркала на падающую на него волну. Две близкие звезды можно видеть отчетливо раздельными, если угол, под которым они видны в телескоп, больше минимального значения угла, при котором оба ярких пятна, каждый из которых производится звездой, сливаются в одно пятно. Этот минимальный угол называется угловым разрешением. Лорд Рэлей дал критерий, определяющий эту величину. Угловое разрешение телескопа порядка угловых секунд определяется постоянством времени волнового фронта для волны, преобразуемой входной апертурой телескопа. Так космический телескоп «Хаббл» на орбите вокруг Земли имеет диаметр телескопа 2,4 м, и угловое разрешение, близкое к 0,05 угловых секунд. На Земле такой же 2,4 м телескоп имеет угловое разрешение в 20 раз хуже из-за искажений в атмосфере.

Телескопы строятся с большими апертурами, т.е. с зеркалами большого диаметра (до нескольких метров), с поверхностью, обработанной с высокой точностью (до долей длины волны). Гигантские собиратели света дают возможность обнаруживать и изучать свойства очень слабых (удаленных) объектов, именно из-за того, что их огромные входные апертуры могли собрать слабый свет, испускаемый объектом. Более того, телескопы с высоким разрешением позволяют разглядеть больше деталей наблюдаемых объектов. К сожалению, малые флуктуации температуры атмосферы вызывают флуктуации коэффициента преломления воздуха. Это, в свою очередь, приводит к тому, что разные части первоначального волнового фронта проходят несколько различные пути, и изображение в телескопе, соответственно, размывается. О таких аберрациях мы уже говорили. Изображение диска звезды, получаемого с помощью телескопа с диаметром 4 м, установленного на земле типично в 40 раз больше того оптимального размера, который должен был бы получаться согласно теории дифракции. Технически это обозначается, как когерентный диаметр атмосферы, и его значение обычно составляет 10—20 см. Тот факт, что фотоны от далекого объекта разбрасываются по пятну в 40 раз большего, чем дифракционный предел, означает, что интенсивность изображения в 402 раз меньше. Поэтому даже хотя большие телескопы с апертурой, большей, чем когерентный диаметр атмосферы, могут собрать больше фотонов, это ничего не дает в смысле увеличения разрешения. Критики могут интерпретировать этот факт как то, что величайшие телескопы мира имеют чрезмерную стоимость.

Исаак Ньютон писал в 1730 г. в своей книге Opticks:

«Если Теорию изготовления Телескопов можно было бы продолжить к Практике, то даже и в этом случае были бы некоторые Пределы, которые нельзя перейти при изготовлении Телескопов. Воздух, через который мы смотрим на Звезды, находится в состоянии вечного Дрожания; как мы можем видеть дрожащее движение Теней, отбрасываемых высокими Башнями, и мерцанием Звезд. Но эти Звезды не мерцают, когда их наблюдают через Телескопы с большими апертурами. Лучи Света, которые попадают на разные части апертуры, дрожат сами по себе, с разным и иногда противоположным действием. Они падают в одно и то же время на разные места сетчатки глаза, и их дрожащие Движения слишком быстры и смешиваются, а не воспринимаются раздельно. И все эти освещаемые Точки создают одну широкую яркую Точку, составленную из этих многих дрожащих Точек, спутано и неразличимо смешанных друг с другом за счет очень коротких и быстрых Дрожаний. Из-за этого Звезда кажется более широкой, чем на самом деле, и совсем без дрожания. Длинные Телескопы могут сделать объект более ярким и большим, в отличие от того, что могут сделать короткие телескопы, но и они не могут устранить размытия Лучей, которые вызываются Дрожанием в Атмосфере. Единственным Средством является прозрачный и спокойный Воздух, такой, который, пожалуй, может быть найден на вершинах высочайших Гор, выше высочайших Облаков».

Очевидно, что необходимы какие-нибудь системы, чтобы исправить эффекты возмущения атмосферой, известные со времен Ньютона. Такой системой является адаптивная оптика. Исторически можно сослаться на первый пример использования адаптивной оптики Архимедом в 215 г. до н. э. для уничтожения римского флота. Когда римский флот приблизился к Сиракузам, солдаты, выстроенные в линию, смогли сфокусировать на корабли солнечный свет, используя свои щиты в качестве зеркал. Таким способом сотни пучков солнечного света направлялись на малую область корабля. Интенсивность была достаточной, чтобы поджечь его. Таким образом, как гласит легенда, удалось предотвратить атаку вражеским флотом. Эта оригинальная идея вошла в легенду как «сжигающее зеркало» Архимеда.

В 1953 г. Бабкок, который в то время был директором астрономической обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии, предложил использовать деформируемые оптические элементы, управляемые датчиками волнового фронта, для компенсации искажений изображений в телескопе, которые вызываются атмосферой. Это, по-видимому, самое первое научное предложение использовать адаптивную оптику.

Большинство пионерских работ по адаптивной оптике были выполнены американскими военными в 1970-х и 1980-х гг. Они были заинтересованы в применениях, связанных с распространением лазерных пучков в атмосфере, для лучшего определения положений спутников и для лучшего управления полетом ракет. Эти исследования были строго засекречены. Первая система адаптивной оптики была в 1982 г. установлена (и до сих пор работает) Военно-Воздушными Силами на Гавайях.

В астрономии экспериментальные системы адаптивной оптики начали развиваться с начала 1980-х гг., когда большинство военных работ было все еще засекречено. Две исследовательские программы, одна, включающая астрономов, и другая, относящаяся к военным, развивались параллельно, без взаимного обмена информацией. Первоначально был скептицизм относительно полезности этой техники, и было трудно получить финансирование. В 1991 г. ситуация изменилась. Большинство материалов было рассекречено, и телескопы стали давать более четкие изображения в результате адаптивной оптики. С тех пор военные и академические работники действовали сообща.

Рис. 65 показывает общую схему телескопа, в котором используется адаптивная оптика. Датчик волнового фронта фиксирует волновой фронт приходящей волны для того, чтобы измерить величины нужных локальных деформаций. Система обработки информации превращает ее в сигнал, который сразу же можно использовать для коррекции волнового фронта.

Рис. 65. Схема системы адаптивной оптики. Свет, направляющийся в телескоп, сперва попадает на подвижное зеркало M ₁, которое корректирует наклон волнового фронта. Затем оставшиеся аберрации исправляются деформируемым зеркалом М ₂, и исправленная волна направляется на приемник С. Часть света собирается наклонными зеркалами S ₁и S ₂для получения сигналов, нужных для управления зеркалами M ₁и M ₂

Коррекция, в реальном времени, должна произвести искажение, равное и противоположное по знаку тому, которое вызывается атмосферой. Эта операция должна быть повторяемой с той же быстротой, с какой происходят изменения в атмосфере, типично между 10 и 1000 раз в секунду. В реальной системе такая коррекция делается с помощью деформируемого зеркала, представляющего собой тонкую мембрану, форма которой контролируется набором пьезоэлектрических толкателей, прикрепленной к задней стороне.

Информация об искажении волнового фронта можно получить от самого объекта (цели), если он является точечным источником (звезда) и достаточно ярок – ярче звезды шестой величины (самая слабая звезда, различимая невооруженным глазом). Однако многие объекты, интересные для астрономов, не являются точечными источниками, а представляют собой протяженные объекты (такие, как планеты или туманности), более чем в тысячи раз слабея звезды шестой величины. В этих случаях можно использовать ближайшую звезду, чтобы определить опорный волновой фронт, но свет должен проходить через тот же участок атмосферы, через который проходит свет от изучаемого объекта. Это означает, что такая опорная звезда должна быть внутри угла около 2 угловых секунд. Это соответствует очень малой части неба, в которой трудно найти достаточно яркую звезду. Таким образом, остается единственная альтернатива: искусственно создать путеводную звезду (маяк), ярче шестой величины.

Здесь лазер вступает в действие. Такой искусственный источник получается путем освещения мощным лазером некоторой области в верхних слоях атмосферы, где имеются вещества, которые при освещении их способны переизлучить свет. Натрий, который присутствует в достаточной концентрации в атмосфере между 80 и 100 км, можно использовать с этой целью. Для возбуждения натрия (D-линия) используется лазер с длиной волны 5890 А. Системы с такими опорными звездами были, например, построены в обсерваториях в Альбукерке (Нью Мексика, США), в Калар Альто (Испания), и в Ликской обсерватории (Калифорния, США).

Вскоре астрономы смогут измерять диаметры звезд ярче, чем десятой величины; наблюдать пятна на их поверхности и измерять изменения в положении, позволяющих судить о наличии планет вокруг их. Огромный достигнутый прогресс позволяет нам верить, что удастся также увидеть планеты вблизи удаленных звезд. Эти планеты нужно увидеть на фоне рассеянного света самой звезды, вокруг которой они вращаются (различие в яркостях 109). С другой стороны, в исследованиях по поиску планет можно использовать саму звезду в качестве опорного источника. Следующее поколение наземных телескопов даст возможность обнаружить планеты, вращающиеся вокруг некоторых из ближайших к нам звезд.