Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений

Основные области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений: измерение и контроль геометрических размеров и формы объектов из прозрачных и непрозрачных материалов, измерение расстояний, измерение качества поверхности, структуроскопия, определение химического состава и измерение концентрации различных веществ, определение степени запыленности и задымленности воздушной среды, измерение механических напряжений и деформаций, определение колориметрических характеристик различных объектов.

На рис. 9.21 иллюстрируется использование оптического излучения для измерения поперечного размера цилиндрической детали. Принцип измерения заключается в преобразовании с помощью линзы светового потока точечного источника в однородный световой поток с плоским фронтом и определения размера создаваемой деталью тени с помощью расположенного за деталью многоэлементного фотоприемника. Очевидно, что если принять меры по уменьшению влияния дифракционных явлений, то для светового потока с плоским фронтом размер тени совпадает с поперечным размером детали.

Рис. 9.21. Измерение поперечного размера детали:

• 1 — источник света; 2 — линза;
• 3 — деталь; 4 — фотоприемник

Огромный скачок в расширении сферы использования оптического излучения для измерительных преобразований произошел с появлением лазеров, создание которых шло одновременно с развитием различных направлений их применения. Лазеры большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, проводятся исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерий. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучать чрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах с временем релаксации ~ 1(Г¹³ с. Возможность формировать сверхкороткие импульсы света (10″ …10 ^|2) с имеет также важное значение для скоростной фотографии и ряда других методов исследования быстропротекающих процессов. С помощью гелий-пеопового лазера, обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Исключительно высокая эффективная температура излучения лазеров и возможность концентрировать энергию в ничтожно малом объёме открыли уникальные возможности испарения и нагрева вещества. Важнейшей задачей является нагрев плазмы до температур, достаточных для осуществления термоядерных реакций и получения термоядерной плазмы. Достигнуты температуры 20*10^ft К. В тех же условиях эксперимента, при соответствующем подборе химического состава испаряемой мишени, удаётся получить точечный источник рентгеновского излучения высокой интенсивности (мощностью ~10⁹ Вт при длительности импульса несколько наносекунд). Существует возможность создания интенсивных точечных источников нейтронов. С помощью лазера возможны сварка, закалка, резка и сверление различных материалов без возникновения в них механических напряжений, неизбежных при обычной обработке. При этом обрабатываемые материалы могут быть любой твёрдости, а достигаемая погрешность геометрических размеров не превышает нескольких длин волн.

Большие возможности открываются перед лазерной техникой в биологии и медицине. Лазерный луч применяется не только в хирургии (например, при операциях на сетчатке глаза) как скальпель, но и в терапии.

Интенсивно развиваются методы лазерной локации и связи. Локация Луны с помощью рубиновых лазеров и специальных уголковых отражателей, доставленных на Луну, позволила увеличить точность измерения расстояний Земля — Луна до нескольких сантиметров. Полная затрата энергии соизмеримой с энергией, выделяющейся при сгорании десятка спичек. С помощью полупроводникового лазера осуществлена связь со спутником. Разрабатываются лазерные методы геодезических измерений и регистрации сейсмических явлений. Созданы и используются лазерные гироскопы, нивелиры, теодолиты и дальномеры.

С помощью лазерной техники интенсивно разрабатываются оптические методы обработки, передачи и храпения информации, методы голографической записи информации, цветное проекционное телевидение.

На рис. 9.22 иллюстрируется применение лазера для измерения расстояния до объекта. В этом случае импульсным лазером формируется короткий импульс оптического излучения и измеряется время его прохождения до объекта и обратно после отражения от объекта. Отраженный оптический импульс фиксируется быстродействующим фотоэлектрическим преобразователем.

Рис. 9.23. Использование лазера для нивелирования: Л — лазер; НЛ — нивелирная линейка.

Рис. 9.22. Измерение расстояния до объекта с помощью импульсного лазера: ИЛ — импульсный лазер: ФП — фотоприемник: О — объект.

На рис. 9.23 показано использование лазера для нивелирования — определения высот точек земной поверхности относительно некоторой исходной точки. Лазер на специальном штативе устанавливается таким образом, что обеспечивается строго горизонтальное направление его луча. Определение высоты точки поверхности производится с помощью специальной нивелирной линейки, на которой визуально либо с помощью фотоэлектрического преобразователя фиксируется местоположение создаваемого лучом лазера светового пятна.