книги / Промышленное применение лазеров

проявления (она при этом называется голограммой) появляется сложная сеть интерференционных следов, которая позволяет объем­ но воспроизвести объект при облучении голограммы когерентным светом той же частоты по схеме, показанной на рис. 4.23, б.

Рис. 4.23. Схема получения голографии

Голограмма может рассматриваться как устройство, которое запоминает волновой фронт, описывающий изображение некоторого объекта. Запечатленный волновой фронт воссоздается при воспроиз­ ведении голограммы.

Голографическая интерферометрия является областью наибо­ лее важных промышленных применений голографии. Традиционная интерферометрия обычно используется при определении поверхно­ стного рельефа для поверхностей с относительно простой формой. Примером является контроль поверхностей зеркал и оптических плоскостей в оптической промышленности. Такие интерференцион­ ные измерения ранее были возможны лишь для отражающих поверх­ ностей простой формы. С появлением голографической интерферо­ метрии интерференционные методы стали применяться для контроля поверхностей относительно сложной формы и зеркально неотра­ жающих поверхностей.

Имеется несколько способов применения основного метода го­ лографической интерферометрии в зависимости от способа получе­ ния различных волновых фронтов, представляющих объект:

1) голографическая интерферометрия в реальном времен

В основе этого метода - получение голограммы при изменяющемся

объекте и затем интерференция света воспроизведенного изображе­ ния, запечатленного в голограмме, со светом изменяющегося объек­ та. Так как состояние объекта меняется непрерывно, изменения объекта можно наблюдать непрерывно по движению системы интерференцион­ ных полос. Поэтому этот метод иногда называют голографической ин­ терферометрией с живыми интерференционными картинами;

2) двухэкспозиционная голографическая интерферометрия от­ личается от голографической интерферометрии в реальном времени тем, что объект экспонируется дважды - в различные моменты вре­ мени. Таким образом, в двухэкспозиционном методе объект сравни­ вают в двух различных состояниях. При воспроизведении получают два отдельных голографических изображения с возникающей интер­ ференцией волновых фронтов, представляющих оба изображения. В отличие от голографической интерферометрии в реальном времени здесь при воспроизведении объект не требуется;

3) усредненная по времени голографическая интерферометрия

в общем случае применяется при исследовании вибрирующих по­ верхностей. Голограмму, получаемую при высокочастотных вибра­ циях поверхности, можно рассматривать как предельный случай большого числа экспозиций для многих различных положений по­ верхности.

Втабл. 4.12 проведено сравнение этих методов, названы их достоинства и недостатки и возможные области применения.

Впромышленных процессах голографическая интерферомет­ рия является основным инструментом для проведения специальных измерений, которые трудно выполнить обычными методами. Метод голографической интерферометрии требует определенной квалифи­ кации персонала для определения рельефа поверхностей, обнару­ жения дефектов, исследования механических напряжений и анализа вибраций.

Сравнение методов голографической интерферометрии

Область применений голографической интерферометрии огра­ ничена, так как это очень высокочувствительный метод с возможным разрешением порядка длины световой волны. Для многих практиче­ ских задач такая точность не требуется, и высокая чувствительность голографической интерферометрии может оказаться недостатком. Если искажение участка материала велико, то использование голографической интерферометрии будет неэффективным. На практике очень часто смещение участков составляет многие тысячи длин волн. В этом случае полосы будут плохо различимы и счет их затрудните­ лен. Таким образом, использование голографической интерферомет­ рии эффективно только в тех случаях, когда смещение составляет относительно небольшое число оптических длин волн.

Д руги е применения голограф ии

Остальные применения голографии в промышленности полу­ чили меньшее развитие, чем голографическая интерферометрия.

Методом голографической интерферометрии легко проводить испытание слоистых и композитных структур.

Этот метод используется в микроскопии для получения воспро­ изведенного изображения с высоким разрешением в трехмерном пред­ ставлении.

Голография открывает большие возможности для дисплеев. Трехмерные изображения, воспроизводимые голограммами, являют­ ся тому подтверждением. В сочетании с голографическим воспроиз­ ведением рельефа изображения голография оказывается ценным ин­ струментом в машинном моделировании и фоторазведке.

Голография в будущем может найти применение в объемном телевидении и фильмах. Истинные голографические движущиеся изображения (истинные в том смысле, что каждому кадру соответст­ вует голограмма) уже получены экспериментально. Но для внедре­ ния трехмерного голографического телевидения в практику необхо­ димо существенно усовершенствовать способы получения и переда­ чи голограмм, а также конструкции систем видения.

Возможно использование интерферометрических методов для визуализации потока - течения жидкости или воздуха.

Принципы голографической записи могут быть распространены на ультразвуковой анализ непрозрачных объектов или подводное картографирование (акустическая голография). Исследуется возмож­ ность применения голографии в медицине для определения внутрен­ них структур человеческого тела, которое в определенном смысле является сосудом с жидкостью.

Голография может использоваться в оптических вычислитель­ ных устройствах для выполнения математических операций.

Фурье-голограммы можно применять для обработки изображений. Можно получить голограмму двоичной информации, которая хранится в памяти вычислительной машины. Голограмма может хра­ нить эту информацию, пока она не потребуется. В последнем случае

голограмму воспроизводят и изображение проецируют на ряд фото­ приемников, считывающих хранимую информацию. Следовательно, голограмму можно использовать как память ЭВМ.

4.5.5.Динамическая балансировка

Всвязи с расширением использования высокооборотных меха­ низмов, машин, агрегатов, навигационных и инерционных систем актуальной становится проблема совершенствования процесса ба­ лансировки, повышения ее точности, производительности.

Применение лазерного излучения для устранения дисбаланса

вбалансировочных установках позволяет не только повысить точ­ ность и производительность процесса, но и добиться полной автома­ тизации этой сложной и трудоемкой операции. Лазерный способ уравновешивания дает возможность устранять дисбаланс в период вращения изделия за один его пуск, что значительно упрощает тех­ нологический процесс. Кроме того, лазер позволяет осуществлять динамическую балансировку деталей в процессе их движения.

Суть большинства обычных методов балансировки заключается

втом, что на движущейся детали отыскивают несбалансированный

участок, затем останавливают систему и удаляют часть материала с этого участка, после чего вновь определяют положение несбалан­ сированного участка. Такой метод проб и ошибок часто оказывается очень трудоемким.

Одна из схем реализации процесса предполагает вращение ба­ лансируемой детали и фокусирующей системы с равной частотой. При такой схеме во время балансировки фактически воспроизводит­ ся процесс лазерной прошивки несквозных отверстий импульсным излучением при неподвижной детали. Возможен и другой путь дос­ тижения этого эффекта, но без сообщения дополнительного враще­ ния фокусирующей системе. При этом длительность импульса под­ бирается настолько малой, что имитируется процесс обработки не­ подвижной детали. Такая длительность обеспечивается при генерации излучения в режиме модулированной добротности.

Момент излучения лазерного импульса нетрудно синхронизовать с моментом регистрации несбалансированного участка вращающейся детали таким образом, чтобы импульс все время попадал на указанный участок. Эффект разбалансировки обнаруживается обычными метода­ ми. Сигнал разбалансировки поступает на схему контроля лазерных импульсов, которая срабатывает так, чтобы каждый импульс лазерно­ го излучения попадал на несбалансированный участок.

4.5.6.Зачистка проводов

Впромышленности применяются разнообразные операции по зачистке проводов. В большинстве случаев эти операции достаточно удовлетворительно выполняются обычными способами. Однако в ряде случаев обычные способы зачистки не удовлетворяют предъявляе­ мым требованиям. Лазерные устройства для зачистки проволоки по­ зволяют удалять некоторые виды жесткой изоляции (которые, на­ пример, используются в авиакосмической промышленности) и одно­ временно исключают возможность образования задиров. К изоляции такого типа относится, в частности, полиамидная пленка Kapton, ис­ пользуемая в авиакосмической промышленности из-за малого веса. Чисто тепловые или механические методы не обеспечивают надеж­ ной зачистки такой пленки.

Лазерные устройства для зачистки проволоки основаны на применении ССЬ-лазеров, излучение которых хорошо поглощается

в органических материалах. В настоящее время созданы модели, в которых проволока помещается непосредственно в зачисточную головку, при помощи которой лазерный пучок вращается относи­ тельно проволоки и создает круговой надрез изоляции. Затем для об­ легчения съема изоляции на ней делается продольный разрез. Уст­ ройство обеспечивает высокую чистоту зачищаемой поверхности и не оказывает влияния на металл проволоки, о чем свидетельствует высокий коэффициент отражения металлической поверхности на длине волны 10,6 мкм.

Для зачистки проводов диаметром до 16,5 мм можно использо­ вать непрерывный СО2-лазер мощностью ~50 Вт. Лазерные устрой­ ства обеспечивают надежную зачистку проводов в авиакосмической промышленности в тех случаях, когда применение механических устройств часто приводит к задиру или обрыву проволоки.

4.5.7. Исследования загрязнения атмосферы

Такие исследования чрезвычайно важны в связи с растущими экологическими проблемами. Лазеры позволяют определять наличие и даже концентрацию вредных веществ (оксида азота, углерода, ди­ оксиды серы и другие, а также аэрозольные частицы типа золы, пы­ ли, сажи) в атмосфере. Для этого могут в зависимости от обстоя­ тельств использоваться четыре метода:

1)рассеяние излучения лазера различными частицами, находя­ щимися в атмосфере, и регистрация этого рассеянного назад излуче­ ния (оптический локатор), что позволяет определить концентрацию рассеивающих частиц;

2)комбинационное рассеяние (эффект Мандельштама - Рама­

на), которое состоит в том, что лазерное излучение взаимодействует с колебаниями атомов в молекулах, происходящими с частотой Q, так что рассеянное излучение отличается по частоте от падающего на частоту Q, характерную для данного газа. Поставив монохроматор й измеряя интенсивность комбинационной частоты и саму эту часто­ ту, можно определить тип примесного газа и его концентрацию;

3)резонансная флуоресценция. Если, меняя частоту излучения Лазера, подобрать ее так, чтобы она оказалась резонансной частотой Поглощения для данного типа молекул, то можно вызвать после­ дующее излучение (флуоресценцию) этих молекул и, измеряя длину полны этой флуоресценции и ее интенсивность, определить тип из­ лучающих молекул и их концентрацию;

4)методы дифференциального поглощения, основанные на по­ глощении частоты излучения лазера, характерной для данных моле­

кул газа. При этом используются как системы, работающие на про­ ход, так и использующие отражатель, расположенный за тем слоем газа, который исследуется, и отражающий излучение к его приемни­ ку. При этом вначале лазер генерирует частоту, далекую от области поглощения данным газом, а затем поглощаемую частоту, и по раз­ ности интенсивностей поступающего каждый раз в приемник излу­ чения судят о степени поглощения и о концентрации исследуемых молекул газа. Этот метод обладает наибольшей чувствительностью и дает хорошую идентификацию частиц.

Каждый из этих методов требует тщательной градуировки из­ мерительной аппаратуры и может быть использован для исследова­ ния не очень удаленных участков атмосферы (0,3+5,0 км).

4.5.8. Медицина

Можно выделить ряд направлений этого применения. В хирур­ гии лазеры позволяют проводить почти бескровные операции, т.к. лазерный луч приводит к коагуляции, т.е. сворачиванию крови, и снижает кровотечение в месте разреза, сокращая в 1,5 раза сроки заживления ран. Лазерный луч высокостерилен, остронаправлен, т.е. дает минимум побочных травм; особенно он ценен в гнойной хирур­ гии, так как обеспечивает попутно стерилизацию раны. Промышлен­ ность выпускает целый ряд лазерных установок для хирургов. По­ скольку облучение лазером (X = 0,9 мкм) стимулирует биологические процессы в человеческом организме, то большое развитие получила лазерная терапия, способствующая излечению практически всех ра­ нее трудно излечимых болезней.

В офтальмологии с помощью аргоновых лазеров (а ранее твердо­ тельных лазеров) удается делать ряд сложнейших операций глаза. Так, научились лазером лечить глаукому без вскрытия глазного яблока, приваривать сетчатку на дне глазного яблока, заваривать сосуды глаз­ ной сосудистой оболочки и др. Лазеры используются в онкологии: так как локальное повышение температуры приводит к гибели раковых

клеток, то в тех случаях, когда опухоль находится в открытом или доступном с помощью световода месте (кожа, прямая кишка, бронхи и др.), облучение газовым лазером или оперативное лазерное вмеша­ тельство дает хороший эффект. В дерматологии: ряд кожных заболе­ ваний носит аллергический характер и не поддается лечению, а облучение лучом газового лазера лечит и эти, и такие ранее неизле­ чимые болезни, как трофические язвы, дерматозы и др. Применяются лазеры для подсветки и осмотра с помощью волоконной оптики сте­ нок пищевода, желудка, кишечника, бронхов и других внутренних ор­ ганов и, таким образом, для диагностики различных заболеваний.

4.5.9. Научные исследования

Ведущиеся в Куйбышевском филиале ФИАН фундаментальные и прикладные исследования направлены на решение круга вопросов, связанных с использованием лазеров в промышленности. Указанные исследования ведутся по двум основным направлениям - лазерной обработке материалов (сварке, резке, закалке и т.п.) и лазерным из­ мерениям: разрабатываются новые и совершенствуются известные технологические лазеры и установки на их основе, изучаются физи­ ческие принципы взаимодействия лазерного излучения с объектами с целью направленного изменения свойств материалов и измерения параметров промышленных изделий, проектируются и внедряются разработанные лазерные системы.

Рассмотрим некоторые направления в применении лазерных установок в научных исследованиях и их приложениях.

Использование лазеров в системе измерений. В отличие от ме­ тодов контроля, связанных с разрушением образцов (например, при испытании материалов на разрыв), методы измерений с использова­ нием лазеров являются, как правило, неразрушающими и в значи­ тельной степени удовлетворяют требованиям современного произ­

и качества оптических материалов и элементов, исследованию газо­

динамических процессов, плазменных явлений и параметров вибра­ ций. Лазерные средства измерений, уже сейчас широко применяемые в промышленности, будут играть все возрастающую роль в неразру­ шающем контроле.

Спектральные методы и приборы. Классические спектральные методы хорошо известны, поэтому отметим лишь два обстоятельст­ ва. Первое связано с расширяющимся применением лазеров с пере­ страиваемой длиной волны, управляемых оптоэлектронных элемен­ тов, перестраиваемых по частоте решеток (акустооптические фильт­ ры) и матричных (линейных) фотоприемников для регистрации спектра без механического сканирования. Второе обстоятельство - использование лазерных спектральных систем с акустооптической ячейкой для обработки сигналов сложной формы неоптического происхождения. В обоих случаях требуются управление характери­ стиками перечисленных элементов системы, а также обработка од­ номерных сигналов для автоматизации спектральных измерений.

Методы и системы контроля на основе измерения формы и пространственного положения лазерного пучка. К подобным сис­ темам относятся следящие лазерные приборы (например, нивелиры, устройства корректировки траектории швов при сварке и т.д.), сис­ темы на основе триангуляционного метода, приборы светового сече­ ния и другие. Все методы данного типа характеризуются тем, что задаются пространственное положение, поперечное сечение падаю­ щего на объект луча и регистрируется отклонение освещенного пят­ на, изменение его формы на поверхности объекта, а также положение отраженного луча в пространстве. Необходимо выполнить далее об­ работку, включающую анализ двумерных изображений, тригономет­ рические преобразования и т.п., после чего определяются величины перемещений, микрогеометрия поверхности, форма объекта. Пер­ спективы развития таких систем связаны с использованием полупро­ водниковых лазеров, матричных и позиционно-чувствительных при­ емников, управляемых сканирующих устройств и развитых средств обработки оптических сигналов. В некоторых случаях целесообразно использовать сочетание принципов действия лазерных дальномеров