Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 8

Эффект38Мёссбауэра назван ядерным гамма-резонансом (ЯГР) и состоит в том, чтоиспускание и поглощение гамма-квантов атомными ядрами в твердом телене сопровождается изменением колебательной энергии тела. ЯГР позволяет генерировать гамма-лучи, длина волны которых постоянна с точностьюдо одной стотриллионной (1014) доли. ЯГР – исключительно точный инструмент при измерениях гравитационного, электрического и магнитногополей малых частиц, что и является предметом нанометрологии.Одним из фундаментов нанометрологии стала фотоника – прикладная наука о генерировании и использовании (передаче, усилении и детектировании) световой и других форм энергии излучения фотона. Фотон –элементарная частица, квант электромагнитного поля. Масса фотона равнанулю, а его скорость равна скорости света.

Энергия W каждого фотона(кванта)W = h ⋅ν ,где h = 6,626176 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с - постоянная Планка;ν – частота электромагнитного излучения, Гц.Если обозначить через C = 2,99792 ⋅ 108 м / с - скорость света в вакууме,а период волнового процесса через Т(с), то длина волныλ = сТ = с / ν .Оптическое излучение как объект измерения характеризуется рядомпараметров или их совокупностью. Сюда входят: интенсивность и мощность излучения, состав спектра излучения, временные и пространственные свойства излучения.Интенсивность излучения определяется потоком излучения, как количеством энергии, переносимой электромагнитными волнами в единицувремени. Если поток излучения относится к энергетическим характеристикам, то его обозначают Ф е в ваттах, а если к световым, то – Фν в люменах.Термин мощность излучения, как правило, относится к энергетическим параметрам, определяющим выходное лазерное излучение.

Измеряется в ваттах.По характеру потока излучатели можно разделить на источники монохроматического и сложного излучения.Монохроматическим светом называют световые колебания однойчастоты и одной длины волны. Монохроматический свет достигается выделением спектральной линии или узкого участка спектра при помощиспециальных приборов (монохроматоров, светофильтров и др.). Свет вы39сокой монохроматичности излучают атомы, лазеры, светоизлучающиедиоды.Сложное излучение – это совокупность монохроматических излучений разных частот (лампы, нагретые тела, разнообразные световые приборы).Мощность излучения характеризует его интенсивность и находится вшироких пределах для различных источников.

Например, диапазон мощностей непрерывного лазерного излучения – от пико- до мегаватт.Другая группа параметров характеризует распределение потока(мощности) излучения по уровню длин волн или оптических частот. Речьидет о спектральном анализе светового потока – выделении соответствующих спектральных линий, отвечающих определенному квантовому переходу (спектральные линии поглощения и испускания квантов).Длины волн белого света (видимого излучения) незначительны и находятся в пределах 0,38-0,78 мкм (380 – 780 нм). Границы белого света соседствуют с ультрафиолетовым (длины волн от 100 до 400 нм) и инфракрасным (длина волн от 0,78 мкм до 1 мм) излучениями.Третья группа параметров связана с распределением потока (мощности Р, излучения во времени t). Аналитическая или графическая зависимость P = f (t ) описывает форму импульса измерения, где можно выделитьмгновенные (текущие) или максимальные (пиковые) мощности.

Площадьпод кривой P(t ) есть энергия Qe = ∫ P (t )dt , переносимая излучением (в Джоулях). Световая же энергия светового потока Фν определяется какQν = ∫ Фν dt , лм ⋅ с .Для более глубоких исследований рассматривают распределение потока (мощности) излучения в двух- или трёхкоординатном пространстве.По этим данным можно судить о качестве пучка излучения.Для волн любой природы и частоты при их одновременном излучении характерно явление интерференции – наложение волн друг на друга ивзаимное их усиление или ослабление.На рис.

2.2,б показано усиление света А' при сложении световыхволн с амплитудами А1 и А2, а на рис. 2.2,в – ослабление света.Для получения интерференции необходимы источники света, имеющие постоянную во времени разность фаз. Для этого может использоватьсяи один источник (интерферометр), который пучок света от одного источника разделяет на два, которые после объединения интерферируют, при40этом картина интерференции (усиление или ослабление света) зависит отразности пути, пройденного каждым из лучей после их разделения. Крометого, разность хода обоих пучков с момента их разделения и до объединения не должна превышать длины серии волн данного света (рис.

2.2,г).Удаленные части пучков не интерферируют (рис. 2.2,д). Вероятность интерференции уменьшается при увеличении разности хода пучков.Другим фундаментальным понятием фотоники является дифракция– отклонение от закона прямолинейного распространения волн любойприроды. Это свойство волн огибать препятствия.Как показано выше, для получения интерференции необходимы источники света с постоянной по времени разностью фаз.

У независимых источников света это условие не выполняется. Для получения интерференции необходимо, чтобы свет был когерентным, т.е. световые пучки, подлежащие интерференции, выходили из одной и той же точки источникасвета и в том же направлении. У когерентных колебаний разность фаз либопостоянна по времени, либо изменяется по строго определенному закону.То есть две волны можно считать когерентными, если их фазовые соотношения в двух точках остаются постоянными. Излучаемые волны могут обладать разной степенью когерентности. Степень когерентности излученияможет оказывать существенное влияние на результаты измерений.

Появление таких источников высококогерентного излучения, как лазеры, чрезвычайно расширило область применения оптических методов измерения.Оптические квантовые генераторы (лазеры) представляют собойприборы, преобразующие электрическую, световую, тепловую или химическую энергии в монохроматическое когерентное непрерывное или импульсное излучение электромагнитных волн видимого, ультрафиолетовогоили инфракрасного диапазона.

В них применяются излучатели в видетвердых тел (кристаллов, например рубина, или стекла с добавками ионовхрома, эребия и др.), жидкостей, газов (гелий-неоновой смеси, аргона идр.) и полупроводников. Излучатель генерирует свет под действием светаимпульсных ламп (твердый и жидкий), газового разряда (газовый) илиэлектрического тока (полупроводниковый). Его помещают в резонатор(систему из двух диэлектрических зеркал) для накопления энергии возбуждения (путем многократного отражения), формирования узконаправленного излучения и управления энергетическими параметрами генерации.В интерферометрии используют в основном хорошо отработанныегелий-неоновые лазеры, обеспечивающие высокую монохроматичность,41малую расходимость лучей и большую интенсивность излучения. Это позволяет осуществлять интенференционные измерения длин с разрешающейспособностью до тысячных долей ангстрема (1Å = 10-4 мкм – примерныйразмер атома).Лазеры создают излучение наиболее высокой интенсивности посравнению со всеми известными в настоящее время источниками света.Интенсивность лазера превышает наибольшую интенсивность неотфильтрованных некогерентных источников света примерно в 105 раз.

Поэтомувизирование можно выполнять путем непосредственной посылки пучкасвета в заданном направлении, а интерферометрические измерения проводить в нормально освещенномпомещении и даже на открытом воздухе. Дистанции, накоторых можно выполнятьоптические измерения, возрастают при этом во многораз.Основным и наиболеераспространенным методомРис. 2.3. Абсолютный лазерный калибратор:измерения с помощью лазеровI – электронный блок; II – чувствительная го- является измерение длины словка; III – рефлектор;использованием обычной оп1 – счетчик прямого и обратного хода;тической интерференции для2 – счетно-решающее устройство;3 – преобразователь атмосферного давле-ния; 4 коротких дистанций и техни– цифровое показывающее устрой-ство; 5 – ла- ки модулированного света длязер; 6 – оптическое устрой-ство; 7 – фотодетек- длинных.

Высокая временнаяторкогерентность газового лазерапозволяет подсчитать число полос интерференции для значительно больших оптических путей. К тому же в настоящее время имеются быстродействующие цифровые счетно-решающие устройства для отсчета числа интерференционных полос.На рис. 2.3 показана схема абсолютного лазерного интерферометрического калибратора фирмы «Culter Hammer» (США). Прибор предназначен для измерения длин, бесконтактной настройки и проверки точностиинструментов и юстировки измерительных машин. Калибратор имеет универсальную блочную конструкцию. При перемещении отражателя III, установленного на подвижной части станка, плывущая интерференционная42картина создает серию импульсов в фотодетекторе 7.

Цифровое счетнорешающее устройство преобразует число полос в единицы длины и вноситпоправку на атмосферное давление. Результат выдается светящимися цифрами.Весьма перспективным является использование лазеров в многокоординатных устройствах. Лазерные интерферометры со сканированиеминтерференционных полос и цифровая техника позволяют упростить исделать доступным контроль различных оптических изделий.Особое развитие получает в настоящее время голографическая интерферометрия. Голография в переводе означает «полная запись» (от греческого слова holos – весь, полный).

Голографический метод позволяет записать на фотоэмульсии своеобразную картину волнового поля, которуюназывают голограммой. Такая запись стала практически возможной с использованием лазера и заключается в следующем.Когерентный пучок света от лазера 1 (рис. 2.4,а) проходит системулинз, расширяющих его доразмера, необходимого дляперекрытия снимаемого объекта.

Чтобы получить голограмму, лазерный пучок необходимо разделить на две частии использовать одну часть для Рис. 2.4. Схема голографической измерительной системы:освещения предмета, а другуюа – записи; б – восстановлениядля формирования опорнойволны. Для этого пучок проходит через полупрозрачную пластину 2. После прохождения через пластину 2 часть света, отражаясь от зеркала 3, падает в качестве опорного луча на эмульсионное покрытие фотопластинки5. Другая часть света, отражаясь от зеркала 6, падает на объемный предмет4. В слое эмульсии фиксируется результат интерференции двух пучков –опорного и сигнального.После соответствующей фотохимической обработки на пластинкепоявляется сеть темных и светлых участков, которая пока еще не даетпредставления об отснятом объекте. Объемное изображение появляетсятолько при освещении такой пластинки (голограммы) под определеннымуглом.

На рис. 2.4,б показана стадия восстановления объемной голограммы. Пучок света, излучаемый лазером 1, отражается от зеркала 2 и освещает голограмму 4. Рассматривая голограмму 4, можно видеть объемное изо43бражение 3. Глаз воспринимает предмет точно таким, каков он есть в действительности.Голографическая интерферометрия значительно расширяет областьинтерферометрических измерений и является одним из очень перспективных направлений развития техники линейных измерений.При проведении наноизмерений так же как и в традиционных механических, электромагнитных, оптических и оптико-электрических измерениях используется широкая гамма различных преобразователей: оптических (ОП), оптических измерительных (ОИП) и оптико-электрических(ОЭИП).Преобразователи группы ОП включают всевозможные плоскопараллельные пластинки линзы, отражательные призмы, зеркала, диафрагмы,дефлекторы, модуляторы.