Марио Бертолотти - История лазера
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 SO2, O3, NO2, 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 SO2 оказались 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 SO2 является 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 NO2 и озоном.
