stejně jako v mnoha jiných oblastech optiky a fotoniky přinesl nástup laserů revoluční změnu v optické metrologii. Od počátku byly principy optické metrologie založeny na důmyslném použití různých fyzikálních parametrů, které charakterizují světlo, jako je amplituda, fáze, optická frekvence, vlnová délka, koherence a stav polarizace. Jádro problémů v optické metrologii proto spočívá v tom, jak přesně lze tyto parametry řídit, aby bylo možné objektové informace nejlépe zakódovat a dekódovat ze světla s nejvyšší možnou přesností.

použití laserů znamenalo poprvé v dlouhé historii optické metrologie, že se takové vysoce řízené světlo stalo dostupným pro použití jako fyzické médium při získávání objektových informací pro snímání a měření, a otevřelo nové možnosti v optické metrologii. Například frekvenčně stabilizované lasery se svým světlem silně omezeným ve spektrální oblasti poskytly dobře definovaný standard pro rozměrovou metrologii, zatímco ultrakrátké pulzní lasery se svým světlem silně omezeným v časové oblasti umožnily nalezení rozsahu s vysokým rozlišením.

dopad laserů na optickou metrologii je příliš velký a příliš rozšířený na to, aby byl popsán v tomto krátkém článku. Proto se zaměřujeme na to, jak lasery změnily průmyslovou interferometrii, kde se termín interferometrie používá v širším smyslu k zahrnutí holografické interferometrie a interferometrie skvrn.

povolení OCT

zavedení laseru jako světelného zdroje pro optickou interferometrii mělo zvláštní význam pro průmyslové aplikace. Heterodynní interferometrie, pomocí signálu s omezeným šumem mezi dvěma různými optickými frekvencemi laserového světla generovaného Braggovou buňkou nebo stabilizovaným Zeemanovým laserem, povolená povrchová profilometrie s ultravysokým rozlišením s výškovým rozlišením dosahujícím ~1 Angstrom. Laserová interferometrie, založená na homodynní detekci fáze technikou fázového posunu nebo technikou prostorového nosiče v kombinaci s moderní okrajovou analýzou, je nyní široce používána pro testování optických povrchů v plném poli.

síla fázové laserové interferometrie spočívá v její schopnosti určit fázi až do rozsahu nanometrů. Tato síla je však doprovázena slabostí, že detekovaná fáze je zabalena do rozsahu (- π, π)s nejednoznačností celočíselnými násobky 2π. Kvůli této fázové nejednoznačnosti, jeden selže v měření, když testovaný objekt, např., mikromachine, má velké nespojitosti odpovídající fázovým skokům více než π.

interferometrie spektrální domény pomocí opticky laditelného laseru nám poskytla řešení tohoto problému, který vznikl monochromatičností laserového světla. Spektrální třásně, generované skenováním optické frekvence frekvenčně laditelného laseru, nesou jednoznačnou hloubkovou informaci o výškách nespojitých objektů v jejich okrajových frekvencích. Tato technika spektrální interferometrie využívající frekvenční laditelnost laserů tvořila základ dnešní pokročilé frekvenční doménové optické koherentní tomografie (OCT).

holografické techniky

další významnou změnou optické metrologie způsobené laserem bylo rozšíření optické interferometrie o interferenci náhodných optických polí rozptýlených z difúzních povrchů nebo šířených zakaleným médiem.

v tomto ohledu byl mimořádně důležitý vznik holografické interferometrie a metrologie skvrn, ve které hraje zásadní roli koherence laserového světla. Schopnost holografie zaznamenávat a rekonstruovat optické pole z 3D objektu umožňuje rušení mezi dvěma optickými poli zaznamenanými v různých časových okamžicích před a po deformaci a/nebo přemístění objektu.

další důležitou vlastností, která odlišuje holografickou interferometrii od konvenční interferometrie, je to, že je použitelná pro obecné objekty s neleštěnými povrchy. Tyto jedinečné vlastnosti holografické interferometrie nalezly mnoho úspěšných průmyslových aplikací, které nejlépe dokládají nedestruktivní testování pneumatiky pro automobil. Alternativní holografická technika, často používaná pro analýzu vibrací, je časově průměrná holografie. Vibrační povrch je zaznamenán v hologramu s dobou záznamu delší, než je doba vibrací, takže v hologramu jsou zaznamenány pouze statické interferenční třásně generované světlem z vibračních uzlů, zatímco dynamické třásně generované světlem z vibračních smyček jsou zprůměrovány během dlouhé doby záznamu. Rekonstruovaný obraz tak vizualizuje vibrační režimy jako okrajovou obrysovou mapu.

použití krátkopulsního laseru nabízí další možnost záznamu světla za letu holografií. Krátký pulzní referenční paprsek osvětlující hologram v šikmém úhlu slouží jako časové okénko, které prochází hologramem, takže každá část hologramu rekonstruuje objekt v jiném časovém okamžiku a umožňuje vizualizaci světla za letu.

nedávné pokroky v technologiích CCD a CMOS umožnily digitální záznam hologramu pomocí obrazového senzoru s vysokým rozlišením a numerickou rekonstrukci optického pole pomocí počítače nebo opticky pomocí modulátoru prostorového světla. Tato technika digitální holografie přidala do holografické interferometrie takovou novou funkci, že dvě optická pole zaznamenaná v různých časech a na různých místech mohou být porovnána přímo na základě numerických dat prováděním libovolných numerických operací,jako je šíření a zaostření korekce světla a aberace.

kromě holografické interferometrie zavedla holografie další důležitou funkci tvarování vlnoplochy do optické interferometrie. S počítačem generovaným hologramem lze syntetizovat požadovanou asférickou vlnovou frontu, která slouží jako prototypový standard pro interferometrické testování asférického povrchu.

interferometrie skvrn

jevy skvrn jsou známy již dlouhou dobu, od doby, kdy se lasery začaly používat pro holografii a optické zpracování informací. Tyto laserem indukované distribuce intenzity granulí, vyplývající z koherentní superpozice mnoha náhodných optických polí rozptýlených z difúzních povrchů, byly nejprve považovány za šum nebo obtíž, která se nevyhnutelně objeví, když se zobrazování provádí laserovým světlem. Brzy vědci zjistili, že náhodné laserové skvrny nesou užitečné informace o povrchu objektu, kterým je rozptýleno laserové světlo.

při fotografování skvrn se vzory skvrn pozorované na povrchu objektu používají jako jedinečné značky, které označují jednotlivá umístění na povrchu objektu, a deformace a / nebo posunutí objektu jsou detekovány z lokálního pohybu těchto značek skvrn.

spektrální interferometrie využívá interference mezi náhodným optickým polem na difuzním povrchu objektu vytvořeném rozptylem a referenčním optickým polem, které může mít buď hladký nebo náhodný vlnový průčelí. Na rozdíl od konvenční interferometrie, která poskytuje informace o objektu přímo s okrajovou obrysovou mapou, náhodný vzorek skvrn pozorovaný na povrchu objektu neposkytuje žádné přímé informace o objektu sám o sobě. Nicméně, když je objekt deformován, např. tepelným zatížením nebo vnější silou, vzorek skvrn mění své rozložení v důsledku změny rozdílu optické dráhy zavedené deformací. Rozdíl mezi dvěma skvrnitými vzory před a po deformaci odhaluje rozložení deformace, která je obvykle vizualizována jako okrajová obrysová mapa opravením 2D rozdílového rozdělení.

díky kombinovanému použití obrazových senzorů s vysokým rozlišením a moderní okrajové analýze se nyní metrologie skvrn stala nepostradatelným prostředkem nedestruktivního testování pro průmyslové aplikace a stavebnictví.

i s těmito velmi omezenými případy popsanými výše můžeme vidět velký dopad laseru na vývoj moderní optické metrologie pro průmyslové aplikace. Společně s kolegy z oblasti průmyslové optické metrologie bychom rádi oslavili 50. výročí laserového provozu.

frekvenční hřebeny
 Theodor Hänsch sdílel polovinu Nobelovy ceny za fyziku za rok 2005

foto s laskavým svolením Ludwig-Maximilians-Universitat, Mnichov.

německý Theodor Hänsch sdílel polovinu Nobelovy ceny za fyziku z roku 2005 s Američanem Johnem Hallem za vývoj laserové přesné spektroskopie, včetně techniky optického kmitočtu.

technika frekvenčního hřebenu umožnila měřit s extrémní přesností počet světelných kmitů za sekundu s přesností patnácti číslic.

laserová měřicí technologie prohloubila naše znalosti o vlastnostech hmoty, prostoru a času a přinesla pokrok extrémně přesným optickým hodinám a satelitním navigačním systémům, jako je GPS.

laserové aplikace

v dalších mnoha aplikacích v interferometrii, mikroskopii, spektroskopii atd. lasery se používají k:

  • měření průtoku plynu a tekutin v automobilech
  • Sense zrychlení a rotace
  • studujte proudění vzduchu kolem letadel, raket a projektilů
  • zajistěte hladké povrchy objektivů fotoaparátu
  • změřte vzdálenost a posunutí
  • měření kolísání teploty a tlaku
Mitsuo Takeda

Spiegel Mitsuo Takeda je profesorem na univerzitě Elektro-komunikací v Tokiu a prezidentem optické společnosti Japonska. Je držitelem ceny Dennis Gabor award v roce 2010, kterou udělila SPIE jako uznání za jeho přínos k rozvoji holografie a optické metrologie.

Malgorzata Kujawinska

Spiegel Malgorzata Kujawinska je profesorkou aplikované optiky a fotoniky na Varšavské Technické univerzitě a viceprezidentkou Photonics21. Je bývalou prezidentkou SPIE a bývalou viceprezidentkou Mezinárodní komise pro optiku. Získala cenu SPIE Directors Award 2010.