zoals op vele andere gebieden van de optica en Fotonica, heeft de komst van lasers een revolutionaire verandering in de optische metrologie teweeggebracht. Sinds vroege tijden zijn de principes van optische metrologie gebaseerd op ingenieus gebruik van verschillende fysische parameters die licht kenmerken, zoals amplitude, fase, optische Frequentie, Golflengte, samenhang en de staat van polarisatie. Daarom ligt de kern van de problemen in de optische metrologie in hoe precies deze parameters kunnen worden gecontroleerd, zodat objectinformatie het best kan worden gecodeerd in en gedecodeerd van licht met de hoogst mogelijke precisie.

het gebruik van lasers was de eerste keer in de lange geschiedenis van de optische metrologie dat dergelijk sterk gecontroleerd licht beschikbaar kwam voor gebruik als fysiek medium bij het verkrijgen van objectinformatie voor detectie en meting, en het opende nieuwe mogelijkheden in de optische metrologie. Bijvoorbeeld, de frequentie-gestabiliseerde lasers, met hun licht sterk beperkt in het spectrale domein, verstrekten een goed-gedefinieerde standaard voor dimensionale metrologie, terwijl de ultrakorte impulslasers, met hun licht sterk beperkt in het tijddomein, het vinden van het bereik met hoge resolutie toelieten. De impact van lasers op de optische metrologie is te groot en te wijdverbreid om in dit korte artikel te worden behandeld. Daarom beperken we ons tot de manier waarop lasers de industriële interferometrie hebben veranderd, waarbij de term interferometrie in brede zin wordt gebruikt om holografische interferometrie en spikkelinterferometrie te omvatten.

Enabling OCT

de introductie van de laser als lichtbron voor optische interferometrie was van bijzonder belang voor industriële toepassingen. Heterodyne interferometrie, met behulp van een shot-noise-limited beat signaal tussen twee verschillende optische frequenties van laserlicht gegenereerd door een Bragg-cel of een gestabiliseerde zeeman laser, toegestaan ultrahoge resolutie oppervlak profilometrie met hoogte resolutie bereiken ~1 Angstrom. Laserinterferometrie, gebaseerd op homodyne fasedetectie door de faseverschuivingstechniek of de ruimtelijke dragertechniek gecombineerd met moderne randanalyse, wordt nu veel gebruikt voor full-field testen van optische oppervlakken.

de sterkte van fasemeting laserinterferometrie ligt in het vermogen om de fase te bepalen tot aan het bereik van nanometers. Nochtans,wordt deze sterkte vergezeld van de zwakheid dat de ontdekte fase in de waaier van (-π, π) met ambiguïteit door geheelveelvouden van 2π wordt verpakt. Wegens deze fase ambiguïteit, faalt men in meting wanneer een te testen object, b.v., een micromachine, grote discontinuïteiten heeft die aan fase sprongen meer dan π beantwoorden. Interferometrie van het spectrale domein met behulp van een optisch-frequentie afstembare laser heeft ons een oplossing geboden voor dit probleem, dat voortkwam uit de monochromaticiteit van laserlicht. Spectrale franjes, gegenereerd door het scannen van de optische frequentie van de frequentie-afstembare laser, bevatten ondubbelzinnige diepteinformatie over de discontinue objecthoogtes in hun fringe frequenties. Deze techniek van spectrale interferometrie waarbij gebruik wordt gemaakt van de frequentie-afstembaarheid van lasers vormde de basis van de hedendaagse advanced frequency domain optical coherence tomography (OCT).

holografische technieken

een andere belangrijke verandering in de optische metrologie die door de laser werd teweeggebracht, was de uitbreiding van de optische interferometrie met interferentie van willekeurige optische velden, verspreid over diffuse oppervlakken of verspreid via een troebel medium. In dit verband was de opkomst van holografische interferometrie en spikkelmetrologie van het grootste belang, waarbij de samenhang van laserlicht een fundamentele rol speelt. Het vermogen van holografie om het optische veld van een 3D-object op te nemen en te reconstrueren staat interferentie toe tussen twee optische velden die op verschillende momenten van tijd worden geregistreerd voor en nadat het object vervormd en/of verplaatst is.

een ander belangrijk kenmerk dat holografische interferometrie onderscheidt van conventionele interferometrie is dat het van toepassing is op algemene objecten met ongepolijste oppervlakken. Deze unieke eigenschappen van holografische interferometrie hebben vele succesvolle industriële toepassingen gevonden die het best door het niet-destructieve testen van een band voor een auto worden geïllustreerd. Een alternatieve holografische techniek, vaak gebruikt voor trillingsanalyse, is tijdgemiddelde holografie. Een trillende oppervlakte wordt geregistreerd in een hologram met een registratietijd langer dan de periode van trilling zodat alleen de statische interferentie franjes die door het licht van de trillingsknopen worden geproduceerd in het hologram worden geregistreerd terwijl de dynamische franjes die door het licht van de trillingslussen worden gegenereerd tijdens de lange opnametijd worden gemiddeld. Zo visualiseert het gereconstrueerde beeld de trillingsmodi als een franje contourkaart.

het gebruik van een kortpulslaser biedt een andere mogelijkheid om het licht tijdens de vlucht door holografie op te nemen. Een korte straal van de impulsverwijzing die het hologram bij een schuine hoek verlichten dient als tijd-gating venster aangezien het het hologram doorkruist zodat elk deel van het hologram het voorwerp op een verschillend ogenblik van tijd reconstrueert en de visualisatie van licht tijdens vlucht toelaat. De recente ontwikkelingen op het gebied van CCD-en CMOS-technologieën hebben het mogelijk gemaakt om een hologram digitaal op te nemen met een beeldsensor met hoge resolutie en om het optische veld numeriek te reconstrueren met een computer of optisch met een ruimtelijke lichtmodulator. Deze techniek van digitale holografie heeft zulk een nieuwe functie aan holografische interferometrie toegevoegd dat twee optische die velden op verschillende tijden en verschillende plaatsen worden geregistreerd direct op basis van numerieke gegevens kunnen worden vergeleken door willekeurige numerieke verrichtingen zoals propagatie en het concentreren van licht en aberratiecorrecties uit te voeren. Naast de holografische interferometrie heeft holografie een andere belangrijke functie van het vormgeven van het golffront in de optische interferometrie geïntroduceerd. Met een computer-gegenereerd hologram kan men een gewenst asferische golffront synthetiseren dat dient als prototype standaard voor het interferometrisch testen van een asferisch oppervlak.

Spikkelinterferometrie

Spikkelfenomenen zijn al lang bekend, sinds lasers werden gebruikt voor holografie en optische informatieverwerking. Deze laser-geïnduceerde korrelintensiteitsdistributies, die het resultaat zijn van de coherente superpositie van vele willekeurige optische velden verspreid over diffuse oppervlakken, werden eerst beschouwd als ruis of een overlast die onvermijdelijk optreedt wanneer beeldvorming met laserlicht wordt uitgevoerd. Al snel werden onderzoekers zich ervan bewust dat willekeurige laser spikkels nuttige informatie dragen over het objectoppervlak waardoor laserlicht wordt verstrooid.

in spikkelfotografie worden spikkelpatronen waargenomen op het oppervlak van het object gebruikt als unieke markers die individuele locaties op het oppervlak van het object aangeven, en vervorming en/of verplaatsing van het object worden gedetecteerd door de lokale beweging van deze spikkelmarkers.Spikkelinterferometrie maakt gebruik van de interferentie tussen het willekeurige optische veld op een diffuus objectoppervlak dat ontstaat door verstrooiing en het referentie optisch veld, dat een glad of willekeurig golffront kan hebben. In tegenstelling tot conventionele interferometrie, die het object direct informatie geeft met een random contourkaart, geeft het willekeurige spikkelpatroon dat op het objectoppervlak wordt waargenomen geen directe informatie over het object zelf. Wanneer het object echter wordt vervormd, bijvoorbeeld door thermische belasting of door externe kracht, verandert het spikkelpatroon zijn verdeling door de verandering in het optische padverschil dat door de vervorming wordt geïntroduceerd. Het verschil tussen de twee spikkelpatronen voor en na de vervorming onthult de verdeling van de vervorming, die meestal wordt gevisualiseerd als een franje contourkaart door de 2D-verschilverdeling te corrigeren. Door het gecombineerde gebruik van beeldsensoren met hoge resolutie en moderne randanalyse is spikkelmetrologie nu een onmisbaar middel geworden voor niet-destructieve tests voor industriële toepassingen en civiele techniek.

zelfs met deze zeer beperkte gevallen die hierboven zijn beschreven, kunnen we de grote invloed zien die de laser heeft gehad in de evolutie van de moderne optische metrologie voor industriële toepassingen. Samen met onze collega ‘ s op het gebied van industriële optische metrologie vieren we graag het 50-jarig bestaan van laser.

Frequentiekammen
Theodor Hänsch deelde de helft van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2005

foto met dank aan Ludwig-Maximilians-Universitat, München. De Duitser Theodor Hänsch deelde in 2005 de helft van de Nobelprijs voor de natuurkunde met de Amerikaan John Hall voor de ontwikkeling van lasergebaseerde precisiespectroscopie, inclusief de optische frequentiekamtechniek.

de frequentiekamtechniek maakte het mogelijk om met uiterste precisie het aantal lichtschommelingen per seconde te meten, met een nauwkeurigheid van vijftien cijfers.

de lasergebaseerde meettechnologie heeft onze kennis van de eigenschappen van materie, ruimte en tijd verdiept en heeft zeer nauwkeurige optische klokken en satellietgebaseerde navigatiesystemen zoals GPS verbeterd.

lasertoepassingen

naast talrijke toepassingen in interferometrie, microscopie, spectroscopie, enz. lasers worden gebruikt om:

  • Meten van gas en vloeistof flow in auto ‘ s
  • Zin versnelling en rotatie
  • Studie van de luchtstroom rond vliegtuigen, raketten en projectielen
  • Zorgen voor gladde oppervlakken op de camera lenzen
  • afstand Meten en verplaatsing
  • het Meten van temperatuur en druk variatie
Mitsuo Takeda

SPIE Collega Mitsuo Takeda is een professor aan de University of Electro-Communications in Tokio en voorzitter van de Optical Society of Japan. Hij is de 2010 winnaar van de Dennis Gabor award, gegeven door SPIE als erkenning voor zijn bijdragen aan de ontwikkeling van holografie en optische metrologie.

Malgorzata Kujawinska

Spie Fellow Malgorzata Kujawinska is hoogleraar toegepaste optica en Fotonica aan de Technische Universiteit van Warschau en vicepresident Fotonica.21 Ze is voormalig voorzitter van SPIE en voormalig vicepresident van de Internationale Commissie voor optica. In 2010 ontving ze de SPIE Directors Award.