como em muitos outros campos da óptica e fotônica, o advento dos lasers trouxe uma mudança revolucionária na metrologia óptica. Desde os primeiros tempos, os princípios da metrologia óptica têm sido baseados no uso engenhoso de vários parâmetros físicos que caracterizam a luz, como amplitude, fase, frequência óptica, comprimento de onda, coerência e estado de polarização. Portanto, o cerne dos problemas na metrologia óptica reside na precisão com que esses parâmetros podem ser controlados para que as informações do objeto possam ser melhor codificadas e decodificadas da luz com a maior precisão possível.

o uso de lasers marcou a primeira vez na longa história da metrologia óptica que essa luz altamente controlada tornou-se disponível para uso como meio físico na aquisição de informações de objetos para detecção e Medição, e abriu novas possibilidades em Metrologia óptica. Por exemplo, lasers estabilizados por frequência, com sua luz fortemente confinada no domínio espectral, forneceram um padrão bem definido para metrologia dimensional, enquanto lasers de pulso ultracurtos, com sua luz fortemente confinada no domínio do tempo, permitiram a descoberta de faixa de alta resolução.

o impacto dos lasers na metrologia óptica é muito grande e muito difundido para ser abordado neste breve artigo. Portanto, restringimos nosso foco a como os lasers mudaram a interferometria industrial, onde o termo interferometria é usado no sentido amplo para incluir interferometria holográfica e interferometria salpicada.

permitindo OCT

a introdução do laser como fonte de luz para interferometria óptica foi de particular importância para aplicações industriais. Interferometria heteródina, usando um sinal de batida limitado por ruído de tiro entre duas frequências ópticas diferentes de luz laser geradas por uma célula Bragg ou um laser Zeeman estabilizado, permitiu perfilometria de superfície de ultra alta resolução com resolução de altura atingindo ~1 Angstrom. A interferometria a Laser, baseada na detecção de fase homódina pela técnica de mudança de fase ou na técnica de portador espacial combinada com a análise de franja moderna, agora é amplamente utilizada para testes de campo completo de superfícies ópticas.

a força da interferometria a laser de medição de fase reside na sua capacidade de determinar a fase até a faixa de nanômetros. No entanto,essa força é acompanhada pela fraqueza de que a fase detectada está envolvida no intervalo de (-π, π) Com ambiguidade por múltiplos inteiros de 2π. Por causa dessa ambiguidade de fase, falha-se na medição quando um objeto em teste, por exemplo, uma micromáquina, tem grandes descontinuidades correspondentes a saltos de fase mais do que π.

a interferometria de domínio espectral usando um laser sintonizável de frequência óptica nos deu uma solução para esse problema, que surgiu da monocromaticidade da luz laser. As franjas espectrais, geradas pela varredura da frequência óptica do laser sintonizável por frequência, carregam informações de profundidade inequívocas sobre as alturas descontínuas do objeto em suas frequências marginais. Esta técnica de interferometria espectral que faz uso da sintonização de frequência de lasers formou a base da tomografia de coerência óptica de domínio de frequência avançada (OCT) de hoje.

técnicas holográficas

outra mudança significativa na metrologia óptica provocada pelo laser foi a expansão da interferometria óptica para incluir interferência de campos ópticos aleatórios espalhados de superfícies difusas ou propagados através de um meio Turvo.

de extrema importância a este respeito foi o surgimento de interferometria holográfica e metrologia de salpicos em que a coerência da luz laser desempenha um papel fundamental. A capacidade da holografia de registrar e reconstruir o campo óptico de um objeto 3D permite interferência entre dois campos ópticos registrados em diferentes instantes de tempo antes e depois que o objeto é deformado e/ou deslocado.

outra característica importante que distingue a interferometria holográfica da interferometria convencional é que ela é aplicável a objetos gerais com superfícies não polidas. Essas características únicas da interferometria holográfica encontraram muitas aplicações industriais bem-sucedidas melhor exemplificadas pelo teste não destrutivo de um pneu para um automóvel. Uma técnica holográfica alternativa, frequentemente usada para análise de vibração, é a holografia média do tempo. Uma vibração da superfície é gravada em um holograma com um tempo de gravação mais longo do que o período de vibração, de modo que apenas as franjas de interferência estática gerada pela luz da vibração de nós são registrados no holograma enquanto a dinâmica franjas gerada pela luz da vibração loops são a média durante o longo tempo de gravação. Assim, a imagem reconstruída visualiza os modos de vibração como um mapa de contorno de franja.

o uso de um laser de pulso curto oferece outra possibilidade de gravação de luz em vôo por holografia. Um feixe de referência de pulso curto iluminando o holograma em um ângulo oblíquo serve como uma janela de tempo enquanto atravessa o holograma para que cada parte do holograma reconstrua o objeto em um instante de tempo diferente e permita a visualização da luz em vôo. Avanços recentes nas tecnologias CCD e CMOS tornaram possível gravar um holograma digitalmente com um sensor de imagem de alta resolução e reconstruir o campo óptico numericamente com um computador ou opticamente por um modulador de luz espacial. Esta técnica de holografia digital adicionou uma nova função à interferometria holográfica que dois campos ópticos registrados em momentos diferentes e locais diferentes podem ser comparados diretamente com base em dados numéricos, realizando operações numéricas arbitrárias, como propagação e focalização de correções de luz e aberração.

além da interferometria holográfica, a holografia introduziu outra função importante de moldar a frente de onda na interferometria óptica. Com um holograma gerado por computador, pode-se sintetizar uma frente de onda asférica desejada que serve como um padrão protótipo para o teste interferométrico de uma superfície asférica.

interferometria Speckle

os fenômenos Speckle são conhecidos há muito tempo, desde que os lasers passaram a ser usados para holografia e processamento óptico de informações. Essas distribuições de intensidade granular induzidas por laser, resultantes da superposição coerente de muitos campos ópticos aleatórios espalhados por superfícies difusas, foram consideradas pela primeira vez como ruído ou um incômodo que inevitavelmente aparece quando a imagem é realizada com luz laser. Logo os pesquisadores perceberam que manchas aleatórias de laser carregam informações úteis sobre a superfície do objeto pela qual a luz laser está espalhada.

na fotografia speckle, os padrões speckle observados na superfície do objeto são usados como marcadores exclusivos que indicam locais individuais na superfície do objeto, e a deformação e/ou deslocamento do objeto são detectados a partir do movimento local desses marcadores speckle.

a interferometria Speckle faz uso da interferência entre o campo óptico Aleatório em uma superfície de objeto difuso criada pela dispersão e o campo óptico de referência, que pode ter uma frente de onda suave ou aleatória. Ao contrário da interferometria convencional, que fornece informações ao objeto diretamente com um mapa de contorno de franja, o padrão de salpicos aleatórios observado na superfície do objeto não fornece nenhuma informação direta sobre o objeto por si só. No entanto, quando o objeto é deformado, por exemplo, por carga térmica ou por força externa, o padrão speckle muda sua distribuição devido à mudança na diferença de caminho óptico introduzida pela deformação. A diferença entre os dois padrões de salpicos antes e depois da deformação revela a distribuição da deformação, que geralmente é visualizada como um mapa de contorno de franja, retificando a distribuição da diferença 2D.

com o uso combinado de sensores de imagem de alta resolução e análise de franja moderna, a metrologia speckle tornou-se agora um meio indispensável de testes não destrutivos para aplicações industriais e engenharia civil.

mesmo com essas instâncias muito limitadas descritas acima, podemos ver o grande impacto que o laser teve na evolução da metrologia óptica moderna para aplicações industriais. Juntamente com nossos colegas no campo da metrologia óptica industrial, gostaríamos de comemorar o 50º aniversário do laser.

pentes de Frequência
Theodor Hänsch compartilhou metade do Prêmio Nobel de Física de 2005

foto cortesia de Ludwig-Maximilians-Universitat, Munique. Theodor Hänsch, da Alemanha, compartilhou metade do Prêmio Nobel de Física de 2005 com o americano John Hall para o desenvolvimento de espectroscopia de precisão baseada em laser, incluindo a técnica de pente de frequência óptica.

a técnica de pente de frequência possibilitou medir com extrema precisão o número de oscilações de luz por segundo, com uma precisão de quinze dígitos.

a tecnologia de medição baseada em laser aprofundou nosso conhecimento das propriedades da matéria, espaço e tempo e trouxe avanços para Relógios ópticos extremamente precisos e sistemas de navegação baseados em satélite, como GPS.

aplicações do Laser

em adicional às aplicações numerosas na interferometria, na microscopia, na espectroscopia, etc. lasers são usados para:

  • Medida de gás e o fluxo de fluido em automóveis
  • o Sentido de aceleração e rotação
  • Estudo de fluxo de ar em torno de aeronaves, mísseis e projéteis
  • Garantir superfícies lisas em lentes de câmeras
  • Medir a distância e deslocamento
  • Medir a temperatura e a variação da pressão
Mitsuo Takeda

SPIE Colegas Mitsuo Takeda é professor na Universidade de Electro-Communications, em Tóquio, e o presidente da Optical Society of Japan. Ele é o vencedor de 2010 do Prêmio Dennis Gabor, concedido pela SPIE em reconhecimento às suas contribuições para o desenvolvimento de holografia e metrologia óptica.

Malgorzata Kujawinska

SPIE Companheiros de Malgorzata Kujawinska é um professor de óptica aplicada e fotônica na Universidade de Varsóvia de Tecnologia e vice-presidente da Photonics21. Ela é ex-presidente da SPIE e ex-vice-presidente da Comissão Internacional de óptica. Ela recebeu o Prêmio Spie Directors 2010.