Come in molti altri campi dell’ottica e della fotonica, l’avvento dei laser ha portato a un cambiamento rivoluzionario nella metrologia ottica. Fin dai primi tempi, i principi della metrologia ottica si sono basati sull’uso ingegnoso di vari parametri fisici che caratterizzano la luce, come ampiezza, fase, frequenza ottica, lunghezza d’onda, coerenza e stato di polarizzazione. Pertanto il nocciolo dei problemi nella metrologia ottica sta nel modo preciso in cui questi parametri possono essere controllati in modo che le informazioni sugli oggetti possano essere codificate e decodificate dalla luce con la massima precisione possibile.

L’uso dei laser ha segnato la prima volta nella lunga storia della metrologia ottica che tale luce altamente controllata è diventata disponibile per l’uso come mezzo fisico nell’acquisizione di informazioni sugli oggetti per il rilevamento e la misurazione, e ha aperto nuove possibilità nella metrologia ottica. Ad esempio, i laser stabilizzati in frequenza, con la loro luce fortemente confinata nel dominio spettrale, hanno fornito uno standard ben definito per la metrologia dimensionale, mentre i laser a impulsi ultracorti, con la loro luce fortemente confinata nel dominio del tempo, hanno permesso di trovare una gamma ad alta risoluzione.

L’impatto dei laser sulla metrologia ottica è troppo grande e troppo diffuso per essere trattato in questo breve articolo. Pertanto limitiamo la nostra attenzione a come i laser hanno cambiato l’interferometria industriale, dove il termine interferometria è usato in senso lato per includere l’interferometria olografica e l’interferometria a macchie.

Abilitazione di OCT

L’introduzione del laser come sorgente luminosa per l’interferometria ottica è stata di particolare importanza per le applicazioni industriali. L’interferometria eterodina, utilizzando un segnale di battito limitato dal rumore tra due diverse frequenze ottiche della luce laser generata da una cella di Bragg o da un laser Zeeman stabilizzato, ha permesso la profilometria superficiale ad altissima risoluzione con risoluzione in altezza che raggiunge ~1 Angstrom. L’interferometria laser, basata sul rilevamento di fase omodina mediante la tecnica dello sfasamento o la tecnica del vettore spaziale combinata con la moderna analisi delle frange, è ora ampiamente utilizzata per i test a tutto campo delle superfici ottiche.

La forza dell’interferometria laser di fase sta nella sua capacità di determinare la fase fino all’intervallo di nanometri. Tuttavia, questa forza è accompagnata dalla debolezza che la fase rilevata è avvolta nell’intervallo di (-π,π) con ambiguità da multipli interi di 2π. A causa di questa ambiguità di fase, si fallisce nella misurazione quando un oggetto in prova, ad esempio una micromacchina, ha grandi discontinuità corrispondenti a salti di fase più di π.

L’interferometria a dominio spettrale con un laser sintonizzabile a frequenza ottica ci ha dato una soluzione a questo problema, sorto dalla monocromaticità della luce laser. Le frange spettrali, generate dalla scansione della frequenza ottica del laser sintonizzabile in frequenza, trasportano informazioni di profondità non ambigue sulle altezze dell’oggetto discontinuo nelle loro frequenze di frangia. Questa tecnica di interferometria spettrale che utilizza la sintonizzabilità di frequenza dei laser ha costituito la base dell’odierna tomografia a coerenza ottica a dominio avanzato di frequenza (OCT).

Tecniche olografiche

Un altro cambiamento significativo alla metrologia ottica portato dal laser è stata l’espansione dell’interferometria ottica per includere l’interferenza di campi ottici casuali sparsi da superfici diffuse o propagate attraverso un mezzo torbido.

Di estrema importanza in questo senso è stata l’emergere dell’interferometria olografica e della metrologia a macchie in cui la coerenza della luce laser gioca un ruolo fondamentale. La capacità dell’olografia di registrare e ricostruire il campo ottico da un oggetto 3D consente l’interferenza tra due campi ottici registrati in diversi istanti di tempo prima e dopo che l’oggetto è deformato e/o spostato.

Un’altra caratteristica importante che distingue l’interferometria olografica dall’interferometria convenzionale è che è applicabile a oggetti generali con superfici non lucidate. Queste caratteristiche uniche dell’interferometria olografica hanno trovato molte applicazioni industriali di successo meglio esemplificate dal test non distruttivo di un pneumatico per un’automobile. Una tecnica olografica alternativa, spesso utilizzata per l’analisi delle vibrazioni, è l’olografia media nel tempo. Una superficie vibrante è registrata in un ologramma con un tempo di registrazione più lungo del periodo di vibrazione in modo che solo le frange di interferenza statica generate dalla luce dai nodi di vibrazione siano registrate nell’ologramma mentre le frange dinamiche generate dalla luce dai loop di vibrazione sono mediate durante il lungo tempo di registrazione. Così l’immagine ricostruita visualizza i modi di vibrazione come una mappa contorno frangia.

L’uso di un laser a impulsi corti offre un’altra possibilità di registrazione della luce in volo mediante olografia. Un breve raggio di riferimento a impulsi che illumina l’ologramma con un angolo obliquo funge da finestra di time-gating mentre attraversa l’ologramma in modo che ogni parte dell’ologramma ricostruisca l’oggetto in un diverso istante di tempo e consenta la visualizzazione della luce in volo.

I recenti progressi nelle tecnologie CCD e CMOS hanno permesso di registrare un ologramma digitalmente con un sensore di immagine ad alta risoluzione e di ricostruire il campo ottico numericamente con un computer o otticamente con un modulatore di luce spaziale. Questa tecnica di olografia digitale ha aggiunto una nuova funzione all’interferometria olografica che due campi ottici registrati in tempi e luoghi diversi possono essere confrontati direttamente sulla base di dati numerici eseguendo operazioni numeriche arbitrarie come la propagazione e la messa a fuoco di correzioni di luce e aberrazione.

Oltre all’interferometria olografica, l’olografia ha introdotto un’altra importante funzione di sagomatura del fronte d’onda nell’interferometria ottica. Con un ologramma generato dal computer, si può sintetizzare un fronte d’onda asferico desiderato che funge da prototipo standard per il test interferometrico di una superficie asferica.

Interferometria Speckle

I fenomeni Speckle sono noti da molto tempo, da quando i laser sono stati utilizzati per l’olografia e l’elaborazione ottica delle informazioni. Queste distribuzioni di intensità granulare indotte dal laser, risultanti dalla sovrapposizione coerente di molti campi ottici casuali sparsi da superfici diffuse, sono state prima considerate come rumore o un fastidio che appare inevitabilmente quando l’imaging viene eseguito con luce laser. Ben presto i ricercatori si sono resi conto che le macchioline laser casuali portano informazioni utili sulla superficie dell’oggetto con cui la luce laser è dispersa.

Nella fotografia speckle, i pattern speckle osservati sulla superficie dell’oggetto vengono utilizzati come marcatori univoci che indicano singole posizioni sulla superficie dell’oggetto e la deformazione e/o lo spostamento dell’oggetto vengono rilevati dal movimento locale di questi marcatori speckle.

L’interferometria Speckle utilizza l’interferenza tra il campo ottico casuale su una superficie dell’oggetto diffusa creata dallo scattering e il campo ottico di riferimento, che può avere un fronte d’onda liscio o casuale. A differenza dell’interferometria convenzionale, che fornisce le informazioni sull’oggetto direttamente con una mappa del contorno della frangia, il modello di macchiolina casuale osservato sulla superficie dell’oggetto non fornisce alcuna informazione diretta sull’oggetto da solo. Tuttavia, quando l’oggetto è deformato, ad esempio, per carico termico o per forza esterna, il modello di macchiolina cambia la sua distribuzione a causa del cambiamento nella differenza di percorso ottico introdotta dalla deformazione. La differenza tra i due schemi di punteggiatura prima e dopo la deformazione rivela la distribuzione della deformazione, che di solito viene visualizzata come una mappa di contorno della frangia rettificando la distribuzione della differenza 2D.

Con l’uso combinato di sensori di immagine ad alta risoluzione e moderne analisi frange, la metrologia speckle è diventata un mezzo indispensabile per test non distruttivi per applicazioni industriali e ingegneria civile.

Anche con questi casi molto limitati descritti sopra, possiamo vedere il grande impatto che il laser ha avuto nell’evoluzione della moderna metrologia ottica per applicazioni industriali. Insieme ai nostri colleghi nel campo della metrologia ottica industriale, vorremmo celebrare il 50 ° anniversario del laser.

Pettini di frequenza
 Theodor Hänsch ha condiviso metà del Premio Nobel per la Fisica 2005

Foto per gentile concessione di Ludwig-Maximilians-Universitat, Monaco di Baviera.

Il tedesco Theodor Hänsch ha condiviso metà del premio Nobel per la Fisica 2005 con l’americano John Hall per lo sviluppo della spettroscopia di precisione basata su laser, inclusa la tecnica del pettine a frequenza ottica.

La tecnica frequency comb ha permesso di misurare con estrema precisione il numero di oscillazioni di luce al secondo, con una precisione di quindici cifre.

La tecnologia di misurazione basata sul laser ha approfondito la nostra conoscenza delle proprietà della materia, dello spazio e del tempo e ha portato progressi a orologi ottici estremamente accurati e sistemi di navigazione satellitari come il GPS.

Applicazioni laser

In aggiunta a numerose applicazioni in interferometria, microscopia, spettroscopia, ecc. i laser sono usati per:

  • Misura del gas e della portata dei fluidi in automobili
  • Senso di accelerazione e rotazione
  • Studio del flusso d’aria attorno aerei, missili e proiettili
  • Garantire superfici lisce sulle lenti della fotocamera
  • Misurare la distanza e spostamento
  • Misurare la temperatura e la variazione di pressione
Mitsuo Takeda

SPIE Compagni di Mitsuo Takeda è professore presso la University of Electro-Communications a Tokyo e presidente della Optical Society of Japan. È il vincitore del Dennis Gabor award 2010, assegnato da SPIE in riconoscimento dei suoi contributi allo sviluppo dell’olografia e della metrologia ottica.

Malgorzata Kujawinska

SPIE Fellow Malgorzata Kujawinska è professore di ottica applicata e fotonica presso l’Università di Tecnologia di Varsavia e vice presidente di Photonics21. È past president di SPIE ed ex vicepresidente della Commissione Internazionale per l’Ottica. Ha ricevuto il 2010 SPIE Directors Award.