ИЗМЕРЕНИЯ
(См. 2 - 3-ю стр. цветной вкладки).
Эта статья - третья из серии «Профессии лазера» (предыдущие напечатаны в №№ 8 и 9) - рассказывает о том, как лазер используется для линейных, и угловых измерений, о принципах построения лазерных измерительных приборов.
Более чем у трех миллионов трудящихся нашей страны основным занятием являются измерения (работники ОТК, лабораторий и испытательных центров). Никто еще не учитывал время, затрачиваемое на измерения работниками других специальностей, но ясно, что оно составляет значительную долю трудовых затрат в торговле, медицине, промышленности, на транспорте, и во многих других отраслях народного хозяйства.
При огромных объемах измерений (например, подсчитано, что в США за день проводится в общей сложности более 20 миллиардов измерений) и растущих требованиях к их точности, и достоверности системы измерений становятся все более существенной частью экономики.
Один из самых главных критериев в области измерений-точность. Прогресс науки и техники предъявляет к ней все более, и более жесткие требования. А вместе с тем при уже достигнутой точности измерений дальнейшее ее повышение связано с большими и дорогостоящими поисковыми работами.
В иностранной литературе приводится интересный пример роста стоимости эталона времени по мере повышения его точности. Если стоимость песочных часов, имеющих погрешность 1 секунду за 90 секунд, принять за единицу, то стоимость молекулярных часов, погрешность которых секунда за 30 лет, будет в 10 000 раз больше. Но в настоящее время даже определение секунды с помощью цезиевого резонатора с погрешностью секунда за 30 000 лет не удовлетворяет потребности космонавтики. Пришлось пойти на затраты, еще в 10 раз большие, чтобы создать водородный квантовый генератор с погрешностью секунда за 3 миллиона лет.
Затраты на измерения с лихвой окупаются не только повышением качества продукции, но, и экономией за счет снижения расходования материалов и энергии. Подсчитано, что если повысить точность всех измерений у нас только в 2 раза, то народное хозяйство получит дополнительно столько материалов, и продуктов, сколько производит за год средняя промышленно развитая страна.
Развитие науки и промышленности зависит от состояния метрологии, от того, что, чем, и, как измеряют. «Наука начинается там, - писал Д- И. Менделеев, - где начинаются измерения». Еще в середине
XIX века выдающийся физик и электротехник Б. С. Якоби говорил, что «искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы, и подчинения ее сил нашему господству». Недаром считают, что метрология может служить мерой уровня цивилизации.
Непрерывное расширение диапазона измерений и повышение их точности - требование жизни. Как правило, процессы эти происходят медленно, и каждый следующий шаг в повышении точности делается все с большим трудом. Так происходит до тех пор, пока не удается использовать, какое-то новое научное открытие. Создание лазера в 60-х годах и явилось для метрологии началом такого скачка, значение которого трудно переоценить.
Объясняется это тем, что лазер - уникальный источник излучения, обладающий удачным сочетанием таких свойств, как высокая монохроматичность, малая расходимость луча, и большая интенсивность. Благодаря этому лазер (в сочетании с оптико-электронными устройствами) оказался одним из лучших средств для измерения длин, скоростей и оптических характеристик различных сред, а львиная доля всего объема измерений сводится к определению именно этих параметров.
Наиболее полно свойства лазерного излучения могут быть использованы в интерферометрии.
В основе этого метода измерения лежит явление интерференции, то есть наложения двух совмещенных в пространстве волн, в результате чего возникает третья, результирующая волна, которая, и дает необходимую информацию. Принципиальная схема интерферометра - оптического прибора, позволяющего получать интерференционную картину, показана на 2 - 3-й страницах цветной вкладки. Луч света, посылаемый источником, расщепляется полупрозрачным зеркалом на два пучка - опорный, отражающийся затем от неподвижного зеркала, и измерительный, отражающийся от перемещающегося отражателя. На участке от зеркала до фотоприемника оба пучка совмещаются, и интерферируют. Если в положении I подвижного отражателя фотоприемник регистрирует максимум освещенности, то при изменении длины измерительного плеча на четверть длины световой волны (к/4) в любую сторону (например, положение II) происходит практически полное гашение света. Изменение длины плеча на к/2 (положение III) опять приводит к увеличению освещенности до максимальной и т. д. (волновая картина сложения пучков изображена рядом со схемой).
Таким образом, при перемещении отражателя через каждые к/2 на фотоприемник попадает новая интерференционная полоса, и появляется импульс фототока. Если установить опорное плечо интерферометра на неподвижную плиту, а отражатель - на перемещающуюся вдоль луча платформу и подсчитать с помощью электронно-счетного устройства суммарное числе прошедших через фотоприемник полос, то можно установить, на сколько полуволн переместилась платформа. Зная длину световой волны, это перемещение можно выразить в линейных единицах (метрах, микрометрах, и т. д.), при этом необходимо учесть показатель преломления и среды, в которой производится измерение, поскольку с его изменением меняется, и длина световой волны. Это означает, что с помощью интерферометра измеряется не просто геометрическая длина хода платформы I, а так называемая оптическая длина Iопт = I * n.
Мы описали интерферометр, хорошо известный еще с XIX века. Почему же специалисты до последнего десятилетия почти не использовали этот точнейший прибор для измерения длин, а тратили столько усилий на разработку других измерительных систем, точность которых в лучшем случае достигала одного-двух микрометров (мкм)?
Оказывается, это связано с качеством источника света. Чтобы при значительной длине измерительного плеча получить четкую интерференционную картину, нужен монохроматический свет, представляющий собой набор волн строго одинаковой длины. Этому требованию не удовлетворяют ни естественные источники света, ни лампы накаливания. Даже лучшие газоразрядные лампы на парах криптона (или ртути) позволяют получать достаточно четкую интерференционную картину при длине измерительного плеча не более 60 см.
Появление лазера произвело революцию в области интерференционных измерений. Излучение лазера при достаточно высокой интенсивности настолько монохроматично, что позволяет получать интерференционную картину при длине измерительного плеча в несколько километров. Сейчас в подавляющем большинстве интерферометров используются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 0,6328 мкм. Это связано с тем, что конструкция таких газовых лазеров хорошо отработана, они отличаются компактностью и подходящим диапазоном излучения в видимой области спектра»
С помощью лазерного интерферометра в весьма широком диапазоне можно измерить все, что влияет на оптическую длину измерительного плеча. Это, с одной стороны, линейные перемещения, и производные от них - скорости и ускорения, а с другой стороны, показатель преломления среды, и влияющие на него параметры давление, температура, содержание примесей различных веществ и т. д.
Разрешающая способность лазерного интерферометра чрезвычайно высока. Уже сегодня могут регистрироваться изменения длины на тысячные доли ангстрема, то есть на 10^-13, и (в тысячу раз меньше атома).
Перспективность лазерной интерферометрии определяется еще и тем, что высокая интенсивность излучения лазера позволяет создавать оптические системы, на работу которых не влияют вибрации, шум, внешнее освещение, и даже некоторая запыленность 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, несмотря на их молодость, уже достаточно много, и по мере прогресса лазерной техники число их непрерывно увеличивается. Это прежде всего относится к линейным измерениям, которые с помощью лазера проводятся уже в широком диапазоне.
Миллиметровый и сантиметровый диапазоны. Расстояния в таких пределах могут быть точно измерены интерферометром с газоразрядной лампой, однако для этого надо создать высокостабильные условия. Поэтому подобные измерения удавалось осуществлять лишь в лабораториях, с появлением лазерного интерферометра открылась возможность обеспечить такую же точность измерений непосредственно в производственных условиях.
Лазерные интерферометры с диапазоном измерения до 200 мм уже используются в микроэлектронике при изготовлении интегральных схем. Для нанесения элементов интегральной схемы необходимо производить их покадровое проекционное впечатывание на подложку. При этом каждый следующий кадр должен впечатываться после перемещения подложки на строго определенную величину. От томности перемещения зависит совмещение элементов, а также максимальный размер подложки. С использованием двух координатного лазерного интерферометра (его принципиальная схема показана на цветной вкладке; для упрощения там не изображено устройство, с помощью которого осуществляют технологический процесс) 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 (БИС), необходимых для создания сверхминиатюрной радиоэлектронной аппаратуры, для превращения многих ныне еще уникальных изделий в товары широкого потребления. Внедрение лазерной интерферометрии поможет сделать, например, электронные вычислительные машины типа БЭСМ, занимающие сегодня несколько комнат, неотъемлемой частью письменного стола ученых.
Метровый диапазон. Для измерений в этом диапазоне создан, пожалуй, самый богатый арсенал средств. Однако там, где требуется точность 0,1 мкм и выше, лазерный интерферометр в большинстве случаев является единственным измерительным инструментом. Кроме того, для многих измерений, проводимых в этом диапазоне, и с меньшей точностью, лазерная интерферометрия оказывается самым эффективным методом.
Безусловно, в метровом диапазоне сохранятся измерения с помощью обычных штриховых мер длины - линеек. Однако и здесь применение лазерных интерферометров сулит значительные выгоды. Например, в Англии для поверки самих штриховых мер применили автоматический лазерный интерферометр, что позволило повысить точность работы, и при этом ускорить операцию поверки в 500 раз.
Лазерный интерферометр в диапазоне измерений до 10 и уже нашел применение в ряде областей машиностроения, и приборостроения. Созданы точные и удобные в работе лазерные интерферометры для координатно-измерительных машин, а также для настройки металлорежущих станков. Результаты измерений, вплоть до долей микрона, легко различаются на цифровом табло или поступают в цифропечатающую машину.
В этом же диапазоне измерений лазерные интерферометры могут быть использованы не только в «земных», но, и в «космических» делах.
Известно, например, что проводить астрономические наблюдения в оптическом диапазоне мешает земная атмосфера - она пропускает не весь спектр излучений и ограничивает разрешающую способность телескопов. Если поднять за пределы атмосферы телескоп с диаметром зеркала 1 м, то его разрешающая способность будет такой же, как у наземного телескопа с диаметром зеркала около 80 м. Напомним, что самое большое в мире зеркало для телескопа, созданное недавно в СССР, имеет диаметр 6 м, причем изготовление такого зеркала вызывает чрезвычайные технологические трудности, и длится несколько лет. Казалось бы, в век искусственных спутников можно создать орбитальную обсерваторию, оснащенную мощными телескопами. Однако большие зеркала оказываются слишком тяжелыми. Если все же и удалось бы поднять телескоп на орбиту, то в связи со значительными перепадами температуры, неизбежными в космических условиях, возникли бы слишком большие деформации зеркала, сводящие к нулю выигрыш в разрешающей способности.
Выход из этого положения известен создание составного зеркала. При этом каждый его элемент должен иметь свой привод, и перемещаться гак, чтобы форма зеркала автоматически поддерживалась с точностью не менее 0. 01 мкм. Столь точно контролировать форму большого составного зеркала стало возможно только с помощью лазерного интерферометра. В настоящее время разрабатываются первые автоматически корректирующиеся оптико-электронные системы такого типа, что означает создание новой области, уже получившей название «активной оптики»
Километровый диапазон. Методов, позволяющих измерять такие расстояния с точностью до нескольких миллиметров, недавно вообще не существовало. Сейчас уже разработаны экспериментальные лазерные интерферометры, работающие при длине измерительного плеча несколько более 1 км с разрешением 10 -в мкм. Такие интерферометры оказались незаменимым инструментом в качестве чрезвычайно чувствительного сейсмометра, способного регистрировать весь спектр сейсмических колебаний с периодом от 0,1 секунды до 40 000 секунд и даже больше. Это позволило, например, начать работу по изучению малых смещений земной коры, предшествующих землетрясениям. Кроме того, становится возможной оценка ряда научных гипотез. Например, при установке такого интерферометра в зонах разлома земной коры может быть проверена гипотеза о дрейфе континентов. Лазерный интерферометр открывает большие возможности в проведении измерений земных приливов, напряжений земной коры, регистрации изменения радиуса Земли на величины порядка 0,2 мм (в 100 раз точнее, чем это делается сейчас). А все это очень нужно для более точного определения места, времени, и силы землетрясений и новых вулканических образований. Но для решения этих вопросов пока накоплено недостаточно данных, и потребуется еще немало времени, гак, как для получения нужной информации сам процесс измерения в этом случае должен продолжаться в течение нескольких лет.
Космический диапазон. В этом диапазоне используются лазерные локаторы, принцип действия которых аналогичен радиолокаторам. Исторически к появлению лазера наиболее подготовленной была именно техника локации, для которой особо ценными оказались высокая интенсивность лазерного излучения, малый угол расходимости и возможность модуляции. Лазерные локаторы применяются в основном для дальнометрии. В иностранной печати приводятся примеры использования их в воздушных, космических, наземных, и подводных системах наблюдения.
В нижних слоях атмосферы методами лазерной локации могут быть измерены длины до 180 км, верхняя же граница при измерениях в космосе не установлена. Во всяком случае, локация Луны, проводившаяся совместно советскими и французскими учеными с помощью лазеров, и отражателя, установленного на «Луноходе-1», не вызывает, как показали эксперименты, затруднений. При наличии соответствующих орбитальных станций с отражателями с помощью лазерной локации можно будет измерить такие параметры, как перемещение географических полюсов Земли с точностью до 15 см, а также скорость движения земной коры.
Применяя несколько модифицированный лазерный интерферометр, в любом из рассмотренных диапазонов можно производить измерения скорости перемещения объекта. При этом используется эффект Доплера, то есть изменение частоты света в зависимости от скорости перемещения излучателя (или отражателя). Такие интерферометры позволяют получать достаточный отраженный сигнал непосредственно от поверхности металлических деталей и по доплеровскому смещению частоты оценивать скорость изменения расстояния до этой поверхности. В ряде случаев, например, при бесконтактном контроле скорости горячей прокатки, такие системы оказываются наиболее эффективными. Кроме того, разработаны первые лазерные бесконтактные доплеровские измерители для непрерывного контроля, и коррекции внешних и внутренних диаметров деталей непосредственно в процессе их обработки с точностью 0,1 - 0,2 мкм.
С помощью лазерной доплеровской системы в ходе 15-й Советской антарктической экспедиции, а также в экспериментах, проведенных в районе станции Молодежная на берегу моря Космонавтов, получены новые результаты при изучении движения ледников. Было показано, что ледник постоянно находится в особом напряженном состоянии, массы льда вибрируют, как бы накапливая кинетическую энергию, его перемещения носят случайный характер.
Угловые измерения. Появление лазера открыло новые перспективы в проведении, и угловых измерений.
В лазере, который применяется для линейных измерений, луч распространяется вперед и назад между двумя зеркалами, многократно проходя усиливающую свет активную среду. Такие лазеры поэтому называют линейными. В лазере для угловых измерений луч генерации направлен по замкнутому контуру (см. схему на цветной вкладке). Этим объясняется, и название лазера - кольцевой.
На основе такого лазера создан измеритель угловых скоростей и перемещений в пространстве - лазерный гироскоп. С его применением связываются немалые надежды. Ученые всего мира интенсивно ведут работы по совершенствованию таких приборов. Чем это вызвано?
Получив в начале нашего века первое практическое применение в судовождении, гироскоп стал в настоящее время незаменимым прибором для управления полетом самолетов, при прокладке тоннелей, словом, всюду, где нужно измерять угловые перемещения в пространстве. Растет скорость самолетов, и дальность их рейсов, все интенсивнее становится движение на морских трассах, развивается космонавтика. Этим и рядом других обстоятельств объясняется повышение требований к точности гироскопических приборов.
Вот лишь два примера, иллюстрирующих, какую роль играет точность таких приборов. При запуске космического корабля на Луну ошибка в ориентации всего лишь на одну угловую минуту вызовет отклонение от намеченного места прилунения в добрую сотню километров, а такая же ошибка при возвращении на Землю грозит гибелью экипажа. При прокладке с двух сторон тоннеля длиной 40 км отклонение в одну угловую минуту приведет к тому, что штреки разойдутся на 10 м.
Современная техника в подавляющем большинстве случаев использует для решения всевозможных задач механические гироскопы. В основу их действия положена исключительная устойчивость ориентации оси волчка, вращающегося с огромной скоростью. Однако механический гироскоп - этот триумф классической механики - уже не во всех случаях может удовлетворить растущие запросы навигации. А дальнейшее повышение его точности с каждым шагом достается все большей ценой. И цена эта становится непомерной. Дело в том, что точность обработки деталей механического гироскопа, и их сборки приблизилась буквально к атомным масштабам. И здесь практически исчерпаны резервы повышения точности прибора. К тому же при действии ускорений, и вибраций точность механического гироскопа уменьшается. Он не может быть приведен в действие мгновенно, его сложно применять совместно с электронными цифровыми машинами. Поэтому активно разрабатываются гироскопы на иных физических принципах (ядерные, криогенные, электростатические). Лазерному гироскопу следует отвести особое место в ряду новых приборов.
На цветной вкладке представлена схема одной из возможных конструкций лазерного гироскопа. Кольцевой оптический резонатор образован тремя зеркалами. Световые волны лазерного излучения усиливаются в гелий-неоновой активной среде, и распространяются по периметру треугольника в противоположных направлениях. На одном из углов резонатора закреплены зеркала для получения интерференционной картины встречных волн, а также регистрирующее устройство - фотоприемник.
Как же происходит измерение с помощью лазерного гироскопа? Итак, в кольцевом резонаторе бегут в противоположные стороны две волны лазерного излучения. В покоящемся резонаторе волны имеют равные частоты. Если же резонатор вращается в своей плоскости, то время обхода резонатора одной волной увеличивается, а другой волной на столько же уменьшается. Частота волны лазерного излучения зависит от времени обхода ею резонатора. Поэтому при вращении появляется разность частот встречных волн. Разность частот пропорциональна скорости вращения в пространстве. Соответственно и скорость движения полос интерференционной картины в лазерном гироскопе пропорциональна угловой скорости.
Регистрирующее устройство преобразует интенсивность света в электрический сигнал. Для измерения угла поворота подсчитывают число периодов сигнала, а для измерения угловой скорости достаточно определить его частоту.
Лазерный гироскоп обладает угловым разрешением, недоступным механическим гироскопам. Так, если оптический резонатор имеет форму треугольника со стороной около 12 см, то каждому периоду синусоиды выходного сигнала соответствует поворот на одну угловую секунду.
Показания лазерного гироскопа не зависят от линейных, и угловых ускорений, выходной сигнал легко обрабатывается электронно-счетными машинами, которые все шире используются в навигационных системах. С одинаковым изяществом такой гироскоп может измерять угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших - до 0,01 градуса в час. Это очень мало один оборот с такой скоростью занимает более четырех лет; часовая стрелка движется в 3 000 раз быстрее. Такая точность измерения соответствует точности прилунения в десять километров. Включение лазерного гироскопа занимает тысячные доли секунды. Принципиальный предел его точности, по некоторым оценкам, равен одной миллионной градуса в час. Это один оборот за 40 000 лет!
Лазерный гироскоп измеряет угловые перемещения только вокруг одной оси. Но можно создать блок из трех лазерных гироскопов, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Такой прибор позволяет получить полную информацию об угловом положении, например, космического корабля в пространстве (фотография такого гироскопа помещена на вкладке).
При уменьшении угловой скорости, начиная с некоторой величины (определяющей область нечувствительности прибора), частоты встречных волн становятся равными. Величина области нечувствительности лазерного гироскопа во много раз больше, чем механического. Поэтому для измерения малых угловых скоростей лазерный гироскоп приводят во вспомогательное вращение или иным способом вводят начальную разность частот встречных волн. Такое решение требует совершенно нового подхода к принципам построения навигационных приборов на лазерных гироскопах. Это, естественно, составляет определенную трудность, над преодолением которой работают ученые и конструкторы.
С момента создания первых лазерных гироскопов прошло менее 10 лет. Проведены первые опыты с лазерным компасом, ведутся эксперименты по использованию лазерного гироскопа для угловых измерений в оптике, и машиностроении. В своем развитии и по перспективным возможностям этот прибор обогнал появившиеся раньше него другие гироскопы на новых физических принципах.
Несомненно, в ближайшие годы гироскопы на лазерной основе пополнят арсенал измерительной техники.
Конструктивно подобен лазерному гироскопу прибор для измерения линейных скоростей, и расходов в потоках оптически прозрачных сред, например, скорости ветра, течения воды и т. п. Величина скорости определяется в данном случае по относительному сдвигу частот двух встречных лучей, вызванному эффектом Френеля, то есть изменением частоты света, проходящего через движущуюся среду. Диапазон измерения-прибора - от одного метра в час до десятков метров в секунду (скорость урагана). Прибор этот отличается высокой чувствительностью, в нем нет движущихся частей, он безынерционен, исключено, какое-либо влияние на измеряемый поток, что особенно важно при определении, например, скорости истечения газов.
Визирование по лазерному лучу. Используя малую расходимость лазерного луча в сочетании с его высокой интенсивностью, можно создать относительно простые приборы для ориентирования различных объектов по лучу. Например, лазерный визир позволяет контролировать, и направлять движение проходческого щита при прокладке тоннелей с точностью до 4 мм на длине порядка 200 м, а также контролировать движение строительных машин, как это делалось, например, при разбивке трассы конвейера на Михайловском карьере Курской магнитной аномалии.
На аналогичных принципах построен прибор для нивелировки направляющих крупногабаритных станков. В диапазоне нескольких десятков метров здесь обеспечивается точность до 2 мкм на 1 м. Таким же образом работает и лазерный зенит-центрир, который контролировал вертикальную ось при строительстве Останкинской телебашни с точностью до 6 мм.
Мы рассказали только об основных лазерных устройствах, применяющихся в измерительной технике. Конечно, различных типов таких приборов гораздо больше, причем создаются все новые, и новые. В стадии разработки и испытаний находятся, например, интерференционные микроманометры, а также приборы для точного определения показателя преломления. В лабораториях применяются лазерные интерферометры при исследовании процессов в плазме. И хотя лазер, как измерительный инструмент уже сегодня занял прочное место в метрологии, уместно здесь привести слова выдающегося физика современности Луи де Бройля «Лазеру уготовлено большое будущее. Трудно предугадать, где, и, как он будет применяться, но я думаю, что лазер - это целая техническая эпоха»
