12 Лазерные приборы

Оптико-механические приборы всегда привлекали внимание конструкторов приборов для линейных измерений. Было разработано и выпускалось несколько вполне удачных конструкций с хорошими метрологическими характеристиками – оптиметр, контактный интерферометр Уверского, оптикатор. Эти приборы широко применялись в цехах и лабораториях машиностроительных заводов. Недостатком этих приборов был небольшой диапазон измерений и очень неудобный и трудоемкий процесс  измерения, требующий высокой квалификации оператора. Для отсчета показаний  оптиметра и интерферометра надо было смотреть в окуляр, отсчитывать доли деления шкалы или считать интерференционные полосы и т.п. Это было неудобно и утомительно. Все  указанные приборы применялись только для относительных измерений, потому что имели небольшой диапазон измерений. В настоящее время эти приборы не выпускаются.    

Отдельно следует сказать о   микроскопах,  проекторах и коллиматорах (раздел 4.1 и 4.2), которые давно выпускаются и широко применяются до настоящего времени. Но их конструкция существенно  модернизирована.

В то же время делались многочисленные попытки создания бесконтактных оптических приборов для измерения длин и прямолинейности.  Однако эти конструкции не прижились из-за многочисленных недостатков, главным образом, связанных с использованием белого света криптоновой лампы.

Но сравнительно недавно появились более совершенные осветители, использовавшие  электромагнитное излучение и были  созданы квантовых усилители в  оптическом диапазонах или, как их принято называть,  оптические квантовые генераторы (лазеры).
Свет лазера – когерентная (т.е с одинаковой пространственной частотой) электромагнитная волна. Луч лазера может пройти десятки километров, не теряя своих характеристик, когерентность сохраняется в течение всего долгого периода его работы. Работая с двумя лазерными лучами, мы можем наблюдать интересную картину: направив в точку, освещённую одним лучом, второй, можно получить не в два раза большую освещённость, а полную темноту!  Если два максимума волны совпадают (волны находятся “в фазе”-), то при сложении получится увеличение яркости в два раза. Если же между волнами есть сдвиг на полволны (волны “в противофазе”), то в сумме будет ноль, то есть темнота. Такое сложение волн называется интерференцией, а прибор, складывающий когерентные волны, – интерферометром.
 

Впервые  сложение  световых лучей, и получение темных полос на экране, было продемонстрировано  в опыте Юнга в 1801 г. (рис. 12.1). юнг

      Рис.12.1   Интерференция в опыте Юнга

В этом простейшем опыте свет от источника S проходил через маленькое отверстие в экране Э1, затем падал на экран Э2 с двумя маленькими отверстиями, разнесенными на некоторое расстояние. Прошедший через отверстия свет падал на экран Э3, где и наблюдалась интерференционная картина. Усиление и ослабление света в произвольной точке экрана зависят от разности хода волн, идущих от вторичных источников – отверстий в экране Э2.

Принцип интерференции света был использован в интерферометре Майкельсона, изобретенном в 1880 году. С тех пор было предложено и реализовано большое количество схем интерферометров. Но современные интерферометры, конечно, имеют лазерные осветители, что повышает их точность и существенно расширяет диапазон измерения.

 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 (лазеры)  уже широко применяются в  метрологии линейных  и угловых измерений.

Так, лазеры с большим успехом  используют  в качестве мощных источников когерентного излучения при интерференционных измерениях длин с большой точностью (лазерные интерферометры), 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  созданы интерферометры с длиной плеча в 100 и более метров вместо нескольких дециметров, доступных для криптонового интерферометра, и тем самым значительно повысилась 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 бесконтактного лазерного интерферометра в весьма широком диапазоне можно измерить линейные перемещения и производные от них- скорости и ускорения.

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. 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,.

Лазерный интерферометр в диапазоне измерений до 10 м уже применяют в ряде областей машиностроения и приборостроения.  Именно с помощью лазерного интерферометра производится поверка государственного первичного эталона длины (раздел 1.1) и  плоскопараллельных концевых мер длины и, таким образом, обеспечивается единство измерений. Это довольно сложная интерференционная установка, применяемая в сертифицированных метрологических центрах.

Созданы также точные и удобные в работе лазерные интерферометры для калибровки координатно-измерительных машин, а также для проверки прямолинейности перемещения подвижных узлов  металлорежущих станков.

Кроме того, выпускается еще ряд лазерных приборов – приборы для контроля режущих инструментов на станке и вне станка, лазерные сканеры для КИМ, в том числе портативных.

 

Коронкевич В.П., Ханов В.А. Cовременные лазерные интерферометры
Новосибирск, Наука, 1985.

 

 Коломийцев Ю.В. Интерферометры, Л., 1976