Использование лазеров в метрологии

Введение:

Курсовая работа на тему " Использование лазеров в метрологии" представляет собой как теоретически - научный, так и чисто практически-прикладной интерес для исследования, ,особенно, не имея "за плечами" фундаментальных знаний в этой области, а лишь небольшое представление об устройстве, областях применения и функциональных особенностях данных приборов.

В нашей жизни лазеры встречаются на каждом шагу, и это только начало великого вторжения лазерных технологий в наше современное общество и пытливое сознание.

Приводимые ниже факты лишь немного осветят тему лазеров и их использования в нашей жизни. 

Главная же цель данной курсовой работы - это донести основную мысль, как об устройстве лазеров, так и об их успешном, а главное, продуктивном, использовании в метрологических исследованиях.

Именно поэтому автор данной курсовой не будет глубоко погружаться в методологию изготовления лазеров и их применения, а лишь позволит краем глаза увидеть всю красоту и силу данных интереснейших приборов.

Лазер – это генератор когерентного света.

 В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности.

Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью.

В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами.

 Лазерным  лучом раскраивают ткани и  режут стальные листы, сваривают  кузова автомобилей и приваривают  мельчайшие детали в радиоэлектронной  аппаратуре, пробивают отверстия  в хрупких и сверхтвердых материалах. В руках хирурга лазерный луч  превратился в скальпель, обладающий  рядом удивительных свойств. Лазеры  широко используются в современных  контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах  локации и связи. Лазеры позволяют  быстро и надежно контролировать  загрязненность атмосферы и поверхности  моря, выявлять наиболее нагруженные  участки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты  в них. Лазерный луч становится  надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов.

Вкратце о лазерах.

Если дословно перевести на русский язык слово Лазер, и сказать простыми словами - то это самоусиливающийся свет.

Ближе всего к лазеру относится древнее языческое гадание со свечой и зеркалами. Уже в древности мудрецы и пророки знали, что лазер будет помогать им резать пластики и передавать терабайты информации.

В первую очередь необходимо дать несколько определений:

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») , устройство, которое выпускает сильно сконцентрированный узкий пучок света, который усиливается, при помощи стимулирующего излучения. 

Световой пучок — оптическое излучение, распространяющееся по направлению от (или по направлению к) некоторой ограниченной области пространства, называемой центром светового пучка

Для чего используются лазеры?  
Лазеры используются для различных целей, в том числе для указания объектов во время презентации(лазерные указки), на строительных площадках и в доме. Врачи используют лазеры для косметических и хирургических процедур: омоложение кожи лица, лазерная шлифовка, коррекция глубоких морщин, и т.д.. Многие вещи, с которыми мы сталкиваемся ежедневно используют лазеры, например CD и DVD приводы; сканеры штрих-кода; стоматологические приборы; инструменты с лазерным наведением, такие как строительный уровень и многие другие. 

Одно из основных понятий в лазерной технике - это Длина волны.

Что такое длина волны?  
Наши глаза чувствительны к свету, который находится в очень малой области электромагнитного спектра называемый -  "видимый свет". Этому видимому свету соответствует диапазон длин волн от 400 до 700 нанометров (нм - 10−9 метра) цветовой гаммы с фиолетового на красный. Человеческий глаз не способен "видеть" излучение с длинами волн за пределами видимого спектра. Видимые цвета от самой короткой к самой длинной длине волны являются: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, и красный. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны, чем видимый свет фиолетового цвета. Инфракрасное излучения больше, чем длина волны видимого красного света. Белый свет является смесью цветов видимого спектра. Черный цвет - полное отсутствие света.  
 
 
Как влияет длина волны на видимость лазерного луча?  
 
Лазеры с более низким значением длины волны имеют большую дальность, ярче, и, как правило, имеют размер пятна шире, чем лазеры с большей длиной волны. Например, лазер с длиной волны 635нм ярче и имеет большую дальность, чем лазер с 650нм, когда оба имеют одинаковую мощность. В сочетании с мощностью, длина волны является важным фактором при использовании лазеров на открытом воздухе или в ярко освещенных комнатных условиях.  

Что такое мощность и как она влияет на видимость лазерного луча?  
 
Мощность лазера - энергетический уровень лазерного луча. Чем больше мощность лазера, тем излучение ярче (при одинаковых длинах волн).

Несколько фактов из истории лазерной техники.

В далеком 1916 году великий немецкий ученый Альберт Эйнштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, которая положила начало принципиальной возможности создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.

В своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина" Алексей Толстой писал примерно об этом же.

До 50-х годов были только предпосылки создания лазера, пока в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров не разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван, Уильям Беннетт  и Дональд Хэрриот  продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

После этого физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию всевозможных лазеров, которая идет и по сей день.

Ге́лий-нео́новый ла́зер — лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона. Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.

Пришло время дать несколько научных терминов:

Квантовый усилитель - это такое устройство, в котором происходит усиление электромагнитных волн.

Электромагнитная волна - это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Электромагнитное поле - это особая форма материи - совокупность электрических и магнитных полей.

Эффект усиления в квантовом усилителе связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов, движение которых описывается квантовой механикой.

Индуцированное (вынужденное) излучение - излучение атомов или молекул, вызываемое внешним электромагнитным полем; лежит в основе работы лазеров.

  Активная или рабочая среда лазера  является самой важной составляющей конструкции квантового оптического генератора. В качестве активной среды лазера ученые изначально использовали твердые тела (кристаллы синтетического рубина) и газы (гелий, неон, углеводород), со временем в качестве активной среды лазера стали использовать жидкости и плазму. 

Из чего состоит лазер?

Обычно лазер состоит из следующих элементов:

1. Рабочее вещество. То, в чем происходит рождение мириад фотонов заполняющих собой все пространство рабочего вещества.

2. Возбудитель. Может быть разрядом электричества, для возбуждения газа, а может быть сверхъяркой лампой.

3. Резонатор. То, что есть два зеркала друг напротив друга. Благодаря им свет не покидает рабочее вещество, а накапливается в нем, набирая силу.

4. Квантрон. Элемент - который держит в себе все три предыдущих элемента.

Как принято различать лазеры?

 Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы.

На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.  

  С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Классификация лазеров по эффекту воздействия:

  Все существующие на данный момент лазерные устройства делятся на две группы:

1. Действие которых на вещество приводит к изменению его физического состояния, например, нагреву. Такие лазеры называют технологическими(в лаборатории) или промышленными(на производстве).

2. Термическое действие которых отсутствует и в основном действие лазера связано с особенностями взаимодействия излучения с молекулярными связями в веществе(резонансное или селективное воздействие). Это информационные лазеры.

  Информационные лазеры  имеют к производству достаточно посредственное отношение.

Классификация лазеров по активному веществу:

1. Газовые. Названы так, потому что активное вещество газ. Чаще всего встречаются СО2. Абсолютно вся система генерации лазера заключена в газовую трубу, следует только накинуть контакты от блока питания - и она в работе. Если выходит из строя - то вся труба разом. Основной параметр - длина волны - 10,6 мкм. Это очень маленькая величина. Лазеры этой группы взаимодействуют со всеми органическими веществами и если проще - со всем кроме металла и камня.

2. Твердотельные. Активное вещество - кристалл. Сперва - рубин, сейчас используют гранат. Длина волны - 1,06 мкм. В десять раз меньше чем у газового. Поэтому те вещества которые газовый лазер режет - твердотельный проходит без взаимодействия(как рентген через мышечную ткань), а те вещества которые газовый не в состоянии затронуть - отлично царапает.

Где же применяются такие лазеры? 

   Газовые чаще всего применяются для порезки и гравировки пластиков и кожи. 

Хотя возможны экстравагантные варианты - порезка картона(для изготовления уникальных дизайнерских визиток) или нанесение татуировок.

   Твердотельные лазеры на 90% представлены установками мощностью до 1кВт, которые способны только гравировать и не в состоянии резать что-либо кроме фольги. Если есть желание резать металл, надо тщательно продумать процесс и выбрать между механообработкой, лазером или плазмой. 

Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера

Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера весьма проста.

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.