Использование лазеров в метрологии

Активная среда - вещество, в котором возникает излучение (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы), - имеет форму цилиндра или стержня.

Его помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал - полупрозрачного переднего и "глухого", непрозрачного, заднего. Возле активной среды смонтирована система накачки - импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).

Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня (Каждый уровень характеризуется определённым состоянием системы) .

В нормальном состоянии все они находятся на уровне с наименьшей энергией. Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень.

Наличие такого уровня (он называется метастабильным) - необходимое условие получения лазерного импульса.

С этого уровня атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже.

Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса.

 

Применение лазеров в метрологии:

Метрологические лазеры классифицируют и по чисто метрологическим признакам: по нормируемому параметру генерируемого излучения и по метрологическому рангу.

Для каждого конкретного метрологического лазера обычно нормируется один или несколько параметров генерируемого излучения:

1. спектральная плотность,
2. средняя мощность,
3. относительное распределение плотности мощности в поперечном сечении пучка,
4. мгновенная мощность импульса излучения,
5. форма импульса,
6. распределение плотности энергии и др.

 

Измерительные средства, комплектуемые метрологическими лазерами, различают по метрологическим рангам:

• рабочие и образцовые средства измерения,
• поверочные установки высшей точности,
• рабочие и Государственные эталоны, поэтому также различают рабочие,
• образцовые и эталонные метрологические лазеры.

Для рабочих метрологических лазеров наиболее существенными являются простота и надежность в эксплуатации, малая стоимость, наличие серийного выпуска, а требования к стабильности нормируемого параметра сравнительно невысоки.

Для эталонных метрологических лазеров наиболее существенными являются требования к стабильности нормируемого параметра излучения, к надежности в эксплуатации, а производственным затратам на изготовление и эксплуатацию в силу уникальности создаваемых измерительных средств не придают значения.

 

 

Наибольшее распространение получили три класса метрологических лазеров:

• твердотельные,
• полупроводниковые и
• газовые

Газовые Лазеры

Газовые лазеры отличаются от других типов лазеров относительно высокой стабильностью их энергетических, пространственных и спектральных характеристик излучения, поэтому они представляют особый интерес для метрологии.

Различают три группы газовых лазеров:

• ионные лазеры,
• лазеры на нейтральных атомах
• молекулярные лазеры.

 

Газовые лазеры используют в качестве метрологических, так как они имеют важные особенности:

• наименьшая ширина спектральной линии (10-7 – 10-8 мкм); малая угловая расходимость излучения;
• широкий диапазон генерируемых длин волн (0,2 – 400 мкм);
• близкое к теоретическому (гауссовскому) относительное распределение плотности мощности в сечении пучка.

Особенности газовых лазеров позволяют нормировать параметры и характеристики излучения:

• среднюю мощность,
• спектральную плотность мощности,
• относительное распределение плотности мощности,
• длину волны,
• определённое положение пучка в пространстве.

 

В настоящее время в практических целях используются газовые лазеры, с длинами волн от 0,3 до 10,6мкм

Самые известные - это Гелий Неоновый лазер с длинной волны 63 мкм и СО2 с длинной волны 10,6 мкм 

Мощность составляет от долей милливатта, до сотен киловатт в импульсе.

Лазеры, входящие в состав средств измерений высших метрологических разрядов, стабилизированы пассивно. Применение пассивного метода обеспечивает одно из важнейших свойств метрологических лазеров – повышенную надёжность с сохранением заданных характеристик в течение года и больше.

Защита эталонных и образцовых метрологических лазеров от внешних вибровоздействий является общим для пассивных методов стабилизации мощности излучения. Устанавливают лазеры на массивные основания – бетонные блоки на песчаном фундаменте, взвешенные на воздушных подушках металлические плиты и др.

Области применения:

Газовые лазеры широко применяются в оптике, метало обработке, гравировке и научных исследованиях. В частности гелий неоновый лазер был до недавнего времени одних из основным лазеров используемых в голографии. Так же он используется для юстировки резонаторов других лазеров. Так же лазеры используются в медицине. В частности в офтальмологии, Лазер на углекислом газе (СО2) используется в хирургии,

 

Полупроводниковые метрологические лазеры.

Одним из типов источников излучений, в которых осуществляется прямое высокоэффективное преобразование электрической энергии в энергию излучения, являются полупроводниковые лазеры.

Энергетические характеристики выходного излучения этих излучателей связаны с количеством подводимой электрической энергии. С помощью развитых в электро- и радиотехнике методов управления параметрами электрической накачки легко изменять энергетические параметры выходного излучения полупроводниковых лазеров. Поэтому полупроводниковые лазеры весьма перспективны как основа для создания метрологических лазеров.

Области применения:

Чрезвычайно широкое применение полупроводниковые лазеры находят в таких областях как оптическая передача данных, оптическая запись информации, оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи), оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.), оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография), обнаружение загрязнений и примесей в различных средах метрология, обработка материалов и т.д.

Твердотельные метрологические лазеры

Твердотельные лазеры отличаются возможностью получения больших плотностей энергии и мощности в импульсе при малой длительности. В качестве рабочей активной среды в них наиболее широко используются кристаллы синтетического рубина с примесью трёхвалентных ионов хрома.

Конструктивно твердотельный лазер состоит из активного элемента, источника накачки, отражателя, зеркал резонатора, блока питания, системы охлаждения и элементов управления излучением, которые в совокупности и определяют выходные параметры излучения .

Основной энергетической характеристикой твердотельного лазера, работающего в режиме свободной генерации (Этот режим обеспечивает наиболее высокие уровни энергии импульсов излучения), является энергия излучения в импульсе, поскольку обычно реализуемый нестационарный характер излучения (нестабильность, хаотичность и различная длительность составляющих его пучков) затрудняет нормировать другие временные параметры излучения (максимальную мощность, параметры формы импульса).

Твердотельные лазеры, работающие в режиме нестационарной генерации, используются лишь там, где область применения не накладывает ряд жёстких требований на параметры формы импульсов излучения. В метрологии такие лазеры находят ограниченное применение в поверочных установках для средств измерения энергии в миллисекундном диапазоне длительности.

 

 

Несколько слов о приборах, в которых используется лазерный луч.

 

Лазерный дальномер.

Одним из самых известных приборов, использующих лазерный луч - является лазерный дальномер.

Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, в астрономических исследованиях, в фотографии. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.

Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.

 

Фазовый лазерный дальномер - это дальномер, принцип действия которого основан на методе сравнения фаз отправленного и отражённого сигналов. Фазовые дальномеры обладают более высокой точностью измерения по сравнению с импульсными дальномерами. Также фазовые дальномеры дешевле в производстве. Именно фазовые дальномеры получили широкое распространение в быту.

Лазерный дальномер Bosch

Оптический (лазерный) пинцет

Оптический пинцет — прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом).

Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров. В последние годы оптические пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы белков.

 

Лазерные термометры(Пирометры)

 

Принцип действия бесконтактного термометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.

 

Изначально термин «пирометр» использовался для обозначения прибора, предназначенного для измерения температуры по яркости предельно нагретого предмета.

Сфера применения пирометров довольна обширна:

• Измерения температур опасных для человеческого организма поверхностей и сред, в том числе, горячих.
• Измерение температурных показателей недоступных и труднодоступных объектов.
• Сканирование для поиска холодных или горячих точек.
• Диагностические работы с электро- и теплооборудованием.
• Быстрое (мгновенное) определение температуры объектов, которые пребывают в движении.
• Профилактика и диагностика ж/д и автотранспорта.
• Поддержание противопожарной безопасности.
• Контроль и проверка систем кондиционирования, вентиляции и отопления.
• Электроаудит и электродиагностика.
• Работы по профилактике оборудования в любой отрасли промышленности.

Лазерная Сварка

Обработка материалов с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное направление, которое получило название лазерной технологии.

Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностей закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении.