История лазера. Научное издание
Шрифт:
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 РІ топографических измерениях, для прокладки дренажных труб Рё выравнивания РёС… наклона, труб, используемых РІ сельском хозяйстве для орошений. Такие лазеры также используются РїСЂРё прокладке РґРѕСЂРѕРі. РЎ РёС… помощью направляются тяжелые машины, подготавливающие РіСЂСѓРЅС‚ Рё укладывающие покрытие РґРѕСЂРѕРіРё. Точность РїСЂРё ручном контроле РЅРµ превышает 2 СЃРј, Р° РїСЂРё автоматическом контроле может быть доведена РґРѕ 5 РјРј. Рскривления РјРѕРіСѓС‚ быть аккуратно проконтролированы РїРѕ вертикали Рё РїРѕ 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 РіРѕСЂРѕРґРѕРІ имеет типичные источники. РРјРё обычно являются выхлопные газы, Р° также выбросы предприятий Рё результат сжигания отходов. Контроль Рё идентификация всех этих загрязнений необходимо для понимания РёС… происхождения Рё для принятия мер РїРѕ РёС… 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.