|
|
|
|
|
|
||
Использование электромагнитного излучения атомов и молекул для воспроизведения секунды 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 двух координатного лазерного интерферометра удалось примерно в 10 раз точнее, чем раньше, контролировать перемещение столика с подложкой.
Это позволило увеличить плотность упаковки элементов интегральных схем и перейти к изготовлению больших интегральных схем, необходимых для создания сверхминиатюрной радиоэлектронной аппаратуры, для превращения многих ещё уникальных изделий в товары широкого потребления.
Принципиальная схема показана на рис.1, где 1-измерительный луч; 2-опорный луч; 3-фотоприёмник; 4-лазер; 5-электронно-счётное устройство. Для упрощения на схеме не изображено устройство, с помощью которого осуществляют технологический процесс.
Известно, что измерения в метровом диапазоне наиболее часто проводят с помощью обычных штриховых мер длины - линеек. Однако и здесь применение лазерных интерферометров позволяет повысить точность измерений. Например, в Англии для поверки самих штриховых мер применили автоматический лазерный интерферометр, что повысило точность работы и ускорило операцию в 500 раз.
Лазерный интерферометр в диапазоне измерений до 10 м уже применяют в ряде областей машиностроения и приборостроения. Созданы точные и удобные в работе лазерные интерферометры для координатно-измерительных машин, а также для настройки металлорежущих станков. Результаты измерений, вплоть до долей микрона, легко различаются на цифровом табло или поступают в цифропечатающую машину.
Километровый диапазон.
В настоящее время разработаны экспериментальные лазерные интерферометры, работающие при длине измерительного плеча несколько более 1 км с разрешением 10-6мкм.
Применяя несколько модифицированный лазерный интерферометр, можно изменять скорости перемещения объекта. При этом используется эффект Доплера, т.е. изменение частоты света в зависимости от скорости перемещения излучателя (отражателя). Интерферометры позволяют получать достаточно отражённый сигнал непосредственно от поверхности металлических деталей и по доплеровскому смещению частоты оценивать скорость изменения расстояния до этой поверхности.
В ряде случаев, например при бесконтактном контроле скорости горячей прокатки, такие системы (рис.2) оказываются наиболее эффективными. При этом зависимость между скоростью прокатки (V), скоростью света (С), частотой излучения лазера (F) и доплеровским смещением частоты можно представить выражением
.
На рисунке: 1-лазер; 2-опорный луч; 3-электронно-счётное устройство; 4-измерительный луч.
Кроме того, разработаны первые лазерные бесконтактные доплеровские измерители для непрерывного контроля и коррекции внешних и внутренних диаметров деталей непосредственно в процессе их обработки с погрешностью 0,1-0,2 мкм.
Угловые измерения.
В лазере, который применяется для линейных измерений, луч распространяется вперёд и назад между двумя зеркалами, многократно проходя усиливающую свет активную среду. Такие лазеры называются линейными. В лазере для угловых измерений луч генерации направлен по замкнутому контуру (рис.3). Этим объясняется название лазера - кольцевой. На рисунке: 1-интерферометр; 2-кольцевой резонатор; 3-отражатель; 4-активная среда; 5-угловая скорость вращения; 6-площадь; 7-периметр; 8-интерференционная картина; 9-фотоприёмник; 10-электронно-счётное устройство.
На основании такого лазера создан измеритель угловых скоростей и перемещений в пространстве-лазерный гироскоп.
Кольцевой оптический резонатор образован тремя зеркалами. Световые волны лазерного излучения усиливаются в гелий-неоновой среде и распространяются по периметру треугольника в противоположных направлениях. На одном из углов резонатора закреплены зеркала для получения интерференционной картины встречных волн и регистрирующее устройство-фотоприёмник.
Как же происходит измерение с помощью лазерного гироскопа? В кольцевом резонаторе бегут в противоположные стороны две волны лазерного излучения. В покоящемся резонаторе волны имеют равные частоты. Если же резонатор вращается в своей плоскости, то во время обхода резонатора одной волной увеличивается, а другой волной на столько же уменьшается. Частота волны лазерного излучения зависит от времени обхода ею резонатора. Поэтому при вращении появляется разность встречных частот встречных волн. Разность частот D F пропорциональна скорости вращения в пространстве. Соответственно и скорость движения полос интерференционной картины в лазерном гироскопе пропорциональна угловой скорости.
Регистрирующее устройство преобразует интенсивность света в электрический сигнал. Для измерения угла поворота подсчитывают число периодов сигнала, а для измерения угловой скорости достаточно определить его частоту.
Лазерный гироскоп обладает угловым разрешением, недоступным механическим гироскопам. Так, если оптический резонатор имеет форму треугольника со стороной около 12 см, то каждому периоду синусоиды выходного сигнала соответствует поворот на одну угловую секунду.
Показания лазерного гироскопа не зависят от линейных и угловых ускорений, выходной сигнал легко обрабатывается электронно-счётными машинами, которые всё шире применяются в навигационных системах. С помощью такого гироскопа можно измерять угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших.
Конструктивно подобен лазерному гироскопу прибор для измерения линейных скоростей и расходов в потоках оптически прозрачных сред, например скорости ветра, течения воды и т.п. значение скорости определяется в данном случае по относительному сдвигу частот двух встречных лучей, вызванному эффектом Френеля, т.е. изменением частоты света, проходящего через движущуюся среду. Диапазон измерения прибора - от 1м/ч до десятков метров в секунду (скорость урагана). Прибор этот отличается высокой чувствительностью, в нём нет движущихся частей, он безынерционен, исключено какое-либо влияние на измеряемый поток, что особенно важно при измерении, например, скорости течения газов.
Визирование по лазерному лучу.
Используя малую расходимость лазерного луча в сочетании с его высокой интенсивностью, можно создать относительно простые приборы для ориентирования различных объектов по лучу.
На аналогичном принципе построен прибор для нивелировки направляющих крупногабаритных станков. В диапазоне нескольких десятков метров здесь обеспечивается точность до 2 мм на 1 м.
Таким же образом работает и лазерный зенит-центрир, который контролировал вертикальную ось при строительстве Останкинской телебашни с точностью до 6 мм.