Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 48 (всего у книги 52 страниц)
�змерительные системы
Свет используется для измерений РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… случаях. Рто системы различных интерферометров, позволяющие измерять малые перемещения, контроль поверхности, СЃ высокой точностью РїРѕСЂСЏРґРєР° 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 РЅР° некоторой механической поверхности измеряют путем проведения вдоль этой линии некоторого щупа, который касается поверхности, Рё измерения его смещений. Таким щупом обычно служит алмазная игла, Р·РѕРЅР° контакта которой имеет диаметр несколько РјРєРј. Вертикальные перемещения иглы, следующие Р·Р° нерегулярностями поверхности, измеряют, Рё это представляет рельеф поверхности (шероховатость). Такие инструменты улучшались РІ течение СЂСЏРґР° лет, Рё РІ настоящее время РѕРЅРё обычны РІ измерительных лабораториях. Рквивалентный оптический инструмент использует вместо алмазной иглы хорошо коллимированный пучок лазерного РґРёРѕРґР°, который фокусируется объективом РЅР° поверхность. Отраженный свет собирается тем же объективом. Ртот отраженный свет несет информацию Рѕ шероховатости поверхности. РљРѕРіРґР° система правильно настроена Рё сбалансирована Рё точка фокуса находится точно РЅР° поверхности, тогда отраженный свет формируется после объектива РІ хорошо коллимированный пучок. Если поверхность ближе Рє объективу, тогда пятно РЅР° поверхности уже РЅРµ является пятном совершенной фокусировки, Рё после объектива формируется расходящийся пучок. Наоборот, РІ случае, если поверхность находится Р·Р° точкой фокуса, РїСЂРё 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 СЃРІСЏР·СЊ), который поддерживает точное фокусирование РЅР° поверхность. Знание перемещений сервомеханизма РїСЂРё движении пучка вдоль поверхности дает измерение рельефа. Аналогичная система используется РІ системах компакт-РґРёСЃРєРѕРІ. Поэтому РІ ней исключаются влияния нерегулярности поверхности Рё системы вращения РґРёСЃРєР°.
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 РґСЂСѓРіРёРј применением является лазерный РіРёСЂРѕСЃРєРѕРї, способный измерять очень малые вращения. Первые такие РіРёСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ были сделаны РІ 1963 Рі. Рё стали развиваться СЃ 1965 Рі. Принцип действия был установлен французским физиком Саньяком (18691928), который РІ 1913 Рі. отметил, что пучки света, распространяющиеся РІ противоположных направлениях РїРѕ замкнутому кольцу, можно использовать для измерения вращения этого кольца. Р’ самом деле, если точка, РёР· которой пучки начинают СЃРІРѕРµ распространение, движется РїРѕ кольцу, то эти пучки должны проходить разные пути вдоль кольца РґРѕ точки возврата. Ртот факт легко установить СЃ помощью интерферометра. Р’ 1965 Рі. были построены лазерные РіРёСЂРѕСЃРєРѕРїС‹, способные обнаружить скорость вращения менее 5 Р·Р° час. Подобные РіРёСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ Рё РґСЂСѓРіРёРµ более совершенные версии РёС… были установлены РЅР° самолетах Боинг 757 Рё 767. Такие РіРёСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ 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. �скривления 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 SO2, O3, NO2, NO, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями.
Загрязнение атмосферы городов имеет типичные источники. �ми 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.
Р’ Европе были проведены мероприятия РїРѕ измерению РіРѕСЂРѕРґСЃРєРёС… загрязнений. Р’ Лионе (Франция) лидар типа DIAL был установлен вблизи кафедрального СЃРѕР±РѕСЂР° для измерений NO, выделяемого автомобильным движением РІ центре РіРѕСЂРѕРґР°. Наибольшая концентрация была обнаружена РІ старой части РіРѕСЂРѕРґР°, РіРґРµ движение медленней, Р° вентиляция улиц затруднена. Рти результаты указали, что РІ этой части РіРѕСЂРѕРґР° следует установить пешеходную Р·РѕРЅСѓ. Р’ Штутгарте (Германия), который окружен несколькими холмами, РїСЂРё некоторых условиях наблюдается скапливание РІРѕР·РґСѓС…Р°, загрязненного автомобильным движением (главным образом РІ результате NO), РЅР° высоте 450 Рј. Р’ Берлине выбросы SO2 оказались сильнее РІ восточной части РіРѕСЂРѕРґР° РёР·-Р·Р° РЅРёР·РєРѕРіРѕ качества угля, который используется для отопления, Р° РІ районе Александрплатц концентрация оказалась ниже, поскольку ее сдувает СЋРіРѕ-восточный ветер. Концентрация SO2 является существенной причиной кислотных дождей. РћРЅР° появляется РїСЂРё СЃРјРѕРіРµ, РІ результате обогрева РґРѕРјРѕРІ, выбросами автомобилей Рё тепловых электростанций. Рто было измерено РІ Лейпциге. Было показано, что главная проблема автомобили Рё обогрев РґРѕРјРѕРІ.
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 NO2 и озоном.
Важным применением лидаров является измерение концентрации РѕР·РѕРЅР° (O3) РІ стратосфере над Антарктикой Рё Арктикой. Знание концентрации Рё распределения РѕР·РѕРЅР° РІ атмосфере имеет важное значение как для проблемы загрязнений, так Рё для химических процессов РІ тропосфере. Концентрация РѕР·РѕРЅР° влияет РЅР° климат РёР·-Р·Р° экранирования ультрафиолетового солнечного излучения Рё термических Рё химических равновесий РІ стратосфере. Дело РІ том, что РѕР·РѕРЅ, присутствующий РІ верхних слоях атмосферы, поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение, которое имеет вредное биологическое действие, тем самым слой РѕР·РѕРЅР° защищает поверхность Земли РѕС‚ чрезмерного воздействия вредного ультрафиолета. Хорошо известно, что РІ течение последних нескольких лет наблюдалось постоянное уменьшение толщины РѕР·РѕРЅРѕРІРѕРіРѕ слоя над полюсами (С‚.РЅ. озоновая дыра). Рта дыра получается РІ результате химических реакций СЃ некоторыми летучими продуктами, связанными СЃ индустрией (например, газ фреон, используемый РІ холодильниках, или РІ аэрозольных баллончиках). Вертикальное распределение РѕР·РѕРЅР°, которое определяет развитие дыры РІ пространстве Рё РІРѕ времени, было измерено СЃ 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. �змеряя 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. �х стоимость может изменяться в широких пределах, они могут быть как стационарными, так и портативными, для установки на различные транспортные средства.
