0 Естественная ширина линии е Ширина лазерной линии л Ширина линии с л << е << с ∆ = 2 L/c Когерентность – сохранение постоянства разности фаз световой волны в пространстве (пространственная когерентность) или во времени (временная когерентность) Монохроматичность – спектральная ширина линии излучения лазера много меньше естественной ширины линии излучения изолированного атома Направленность – телесный угол, в котором распространяется лазерное излучение (расходимость), определяется только дифракцией на выходной апертуре лазера 2 2a /a Ближняя зона Дальняя зона l a 2 / Фокусировка лазерного излучения r f f
Локальность воздействия - возможности фокусировка излучения в пятно диаметром менее 100 нм Высокая концентрация энергии плотности мощности в лазерном пятне достигают 1018Вт/мм2 Селективность воздействия возможности воздействия на строго определенные атомные, молекулярные или кристаллические структуры Управляемость воздействия возможности управления пространственными и временными характеристиками лазерного излучения ограничиваются только возможностями современной электроники. Проявление волновой природы света - возможности использования интерференционных и дифракционных эффектов, явлений поверхностных и объемных Проявление нелинейных эффектов использование эффектов взаимодействия электромагнитного поля световой волны с внутренними полями в веществе
L 2a Модовый состав излучения Неравновесная среда - выбор активной среды с соответствующей структурой энергетических уровней и реализация способов их селективного возбуждения Обратная связь – оптический резонатор с устойчивой конфигурацией электромагнитного поля – открытый резонатор Классификация лазеров По типу активной среды - газовые, твердотельные, полупроводниковые (диодные), волоконные и др. По способу возбуждения активной среды По спектральному диапазону - ультарфиолетового, видимого, ближнего ИК, среднего ИК По типу оптического резонатора По модовому составу излучения (структуре поля электромагнитной волны) – одномодовые и многомодовые По мощности излучения – малой < 10 Вт), средней, высокой > 500 Вт) мощности, особо мощные > 10 кВт По назначению – промышленные, измерительные, связные, медицинские, боевые
Основные требования к лазерам для промышленного контроля высокая стабильность характеристик возможности изменения частоты и модового состава излучения возможности плавной перестройки частоты (длины волны) излучения Лазеры малой мощности - гелий-неоновые, диодные, волоконные и др. Расстояние, перемещение, деформации, скорость, ускорение Лазерная триангуляция - 1,0 мм – 100 м, точность до 0,1% Время-пролетный метод - 10-10 10 м, точность до 1 м Фазовая модуляция - 10-10 10 м, точность до 1 м Интерферометрические методы и корреляционные методы 1,0 мкм -100 м, точность до 0,0001мкм = 1 нм Контроль химического состава, фазового состояния среды и характеристик поверхности селективное поглощение лазерного излучения, в т.ч. резонансное интерферометрический контроль показателя преломления среды, спектральные и пространственные характеристики отражения и рассеяния. Лазерная дефектоскопия - лазерная акустическая микроскопия, лазерная фототермическая диагностика ЛАЗЕРЫ В ИЗМЕРЕНИЯХ И КОНТРОЛЕ
2a 2b Сердцевина Оболочка n 1 n 2 Защитное покрытие При n 1 –n 2 << 0,1 NA – числовая апертура волокна Для большинства оптических волокон NA = 0,1-0,2 Основной принцип – использование эффекта полного внутреннего отражения Виды оптических волокон Одномодовые и многомодовые волокна Градиентные и ступенчатые волокна Волокна с двойным лучепреломлением
Материалы для оптических волокон Видимая и ближняя ИК область Кварц с легирующими присадками (германий) Стекла, в т.ч сапфировые и фторидные Полимеры – полиакрилаты, полиамиды и др. Виды оптических волокон Кварц-кварц Кварц-полимер Кварц-металл Стеклянные волоконные жгуты Релеевское рассеяние УФ-поглощение ИК- поглощение Суммарные потери 1,0 2,0 Область наименьших потерь 1,4-1,6 мкм Современный уровень потерь в кварцевом волокне 0,1Дб/км Физические свойства оптических волокон, используемые в оптоволоконные датчиках Изменение показателя преломления под воздействием физических факторов – деформаций, вибраций, давления, температуры - фотоупругость и др. Изменение фазы и поляризации волны под воздействием внешних магнитных и электрических полей и механических напряжений. Изменение спектрального распределения потерь при изменении показателя преломления окружающей среды
Датчики согласования U c =F(d,h) Датчики изгиба U c = F(R) Датчики отражения U c = F(d) Регистрация изменений показателя преломления и спектра поглощения среды Активные датчики Р Многовитковые датчики (катушечного типа) Изменение показателя преломления волокна под внешним воздействием (давление, усилие, ускорение ) Интерферометрические датчики - Оптоволоконные интерферометры –давление, плотность, расстояния, температура, скорость, ускорения, сила, электромагнитные поля Положение, перемещение, деформации, вибрации, давление, уровень, химический и фазовый состав, мутность, температура Пассивные датчики
Принцип получения брэгговских решеток Брэгговская решетка дифракционная решетка, полученная модуляцией показателя преломления сердцевины или оболочки волокна Основная характеристика Постоянная решетки Брэгговские датчики искажение постоянной решетки или n эфф под воздействием возмущений во внешней среде. Условие спектральной селекции =2 · ·n эфф Волоконно-оптические линии связи Оптоволоконные дифракционные мультиплексоры и демультиплексоры Применения:
Одночастотный перестраиваемый диодный лазер Разветвитель Брэгговский датчик Анализатор спектра Модуляция показателя преломления сердцевины или оболочки волокна Изменение параметров решетки под воздействием какой-либо физической величины изменяет условия синхронизма для данной длины волны в. в =2 N эф Условие синхронизма Эффективность определяется полной длиной решетки N эф – эффективное значение показателя преломления, - шаг модуляции Простейшая схема брэгговского датчика Применения: контроль температур, давлений, напряжений, усилий, деформаций, ускорений, скорости, плотности, химического состава, уровня, электрических и магнитных полей Распределенные сети датчиков - использование многоволновых или широкополосных источников излучения с временным, частотным и спектральным разделение информационных сигналов
Измеряемые величины Деформации Температура Внутренние напряжения Перемещение и ускорение Вибрации Уровень Химический состав Электрические и магнитные поля
ЛАЗЕРНАЯ КОРРЕЛЯЦОННАЯ ОПТИКА Бесконтактное измерение положения, перемещений и скорости объектов Бесконтактное измерение деформаций Дистанционный виброконтроль Контроль процессов, вызывающих изменение показателя преломления среды Классическая интерферометрия Спекл-интерферометрия Голография Фазовая интерферометрия
Размер и геометрия спеклов определяется характеристиками поверхности и схемой измерения При изменении положения объекта картина спеклов деформируется Неподвижный объект Объект перемещается со скоростью 0,2 м/с Спеклы – хаотическая структура отдельных световых пятен вызванная интерференцией опорного и отраженного от шероховатой поверхности лазерного луча
