lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Если L изменяется, то полосы перемещаются в поле анализа. Регистрируя перемещение полоспри помощи фотодетектора, можно измерить расстояние ∆L в длинахполуволн λ/2. Для He-Ne лазера λ = 0,6328 мкм и, следовательно, дляинтерферометра с измерительным каналом длиной 1 км наименьшаяотносительная величина регистрируемой деформации составит 3·10‒10.Заметим, что в этом инструменте эталон длины уже не близок к L, как вслучае обычного тензометра, а соизмерим с длиной волны.Следует отдельно подчеркнуть, что при использовании лазерныхдальномеров вне атмосферы точности измерений расстояний всемивидами дальномеров существенно возрастают, но появляются и трудности конструктивного характера, присущие бортовым космическимкомплексам.124Лазерные измерители угловых перемещенийКроме лазерных интерферометров для измерения перемещенийвдоль оптической оси в последнее время появилась группа лазерныхприборов для измерения линейных перемещений перпендикулярно оптической оси или для измерения угловых разворотов и перемещений.
Вэтом случае используют как свойство пространственной когерентностиизлучения лазера, так и его временную когерентность. При использовании временной когерентности были созданы лазерные угломеры рычажного типа на основе двухплечевого интерферометра Майкельсона,когда два отражателя расположены на подвижном разворачивающемсяосновании на расстоянии D друг от друга. Схема такого угломера приведена на рис. 4.32.Элементы интерферометра расположены на двух платформах, однаиз которых с отражателями M 1′ – подвижная, а другая с отражателямиM 2′ – неподвижная.
Расстояния между уголковыми отражателями накаждой из платформ одинаковы и равны D, но размеры зеркал М1 и М2несколько больше, так как они выполняют также функцию светоделителей. Два расположенных друг против друга на разных платформахотражателя образуют ветвь интерферометра Майкельсона, а многократное отражение в них позволяет увеличить чувствительность устройствак угловым изменениям в k раз, где k – число отражений от подвижногоуголкового отражателя. Излучение от лазера на светоделителе М1 частично направляется в первую ветвь, а частично – во вторую. Глухиезеркала R1 и R2 служат для удвоения числа отражений и увеличенияугловой чувствительности прибора.Анализ изменений интерференционной картины производится спомощьюфотодетектированияDна фотодиоде и последующей обM1'M 1'работки в электронном тракте.Определение угла производится в соответствии с выражением α = λm/(2kD), где m – поряM1M2R2док интерференции. В данном R1устройстве k не превышает 2при расстоянии между платфорРис.
4.32. Схема лазерногомами около 100 мм и углах раз- угломера на основе двухплечевоговорота более 3°. При измерениинтерферометра Майкельсона125ях небольших углов до 10ʹ угловое разрешение составляет 0,6ʺ дляλ = 0,63 мкм. Увеличение чувствительности может быть достигнутоза счет измерения дробной части полосы. Однако дальность действияприбора не может быть увеличена, так как с ростом расстояния междуприборами резко уменьшается число отражений и падает чувствительность. Другим существенным недостатком являются высокие требования к точности изготовления угла при вершине двугранного отражателя(менее 1ʺ).Первое ограничение может быть снято за счет применения интерференционных угломеров с использованием пространственной когерентности лазерного излучения. Схема одного из таких приборов приведена на рис.
4.33.Основным элементом прибора является интерференционный делитель 3, представляющий собой композицию из двух одинаковых призм,грани соединения у которых покрыты полупрозрачным слоем (призмаКестерса). Интерференционная картина возникает в результате взаимодействия двух пучков, ограниченных лучами 1–2 и 1ʹ–2ʹ, после ихчастичного отражения и пропускания на полупрозрачном слое интерференционного делителя. Из рисунка видно, что в процессе образования интерференционной картины взаимодействуют два разных участкаволнового фронта излучения одного лазерного источника, и поэтомувид и качество интерференционной картины определяются степеньюпространственной когерентности приходящего излучения.42ʹF″1F34F'2Рис.
4.33. Схема лазерного угломера Сондерса:1 – лазерный пучок; 2 – приемный зеркальный объектив; 3 – призма Кестерса;4 – плоскости анализа126Изменение углового положения источника излучения приводит ксмещению интерференционной картины и определяется из выраженияα = λm/D. Поскольку схема устройства симметрична относительно оптической оси и, следовательно, сбалансирована по начальной разностихода в отдельных ветвях, дальность действия такого угломера определяется только энергетическими критериями и может быть доведенадо 100 м даже при использовании маломощных газовых лазеров.
Чувствительность угломера может достигать 0,05ʺ при измерениях дробного порядка интерференции величиной 1/20. Основным недостаткоминтерференционного угломера с призмой Кестерса является сложностьизготовления интерференционного делителя с высокой степенью идентичности отдельных частей и трудностью их соединения симметричнооптической оси.Развитие интерференционных угломеров с лазерными источниками в дальнейшем пошло по пути упрощения схем интерференционныхделителей и основывалось, прежде всего, на известной схеме звездногоинтерферометра Майкельсона. Один из возможных вариантов такогоугломера представлен на рис.
4.34.Лазерный источник 1 формирует в плоскости приема сферическийволновой фронт малой кривизны, из которого приемные зеркала 2 и 2'выделяют два участка. На интерференционном делителе, состоящем иззеркал 3 и 4, пучки совмещаются и образуют область интерференции,которая не локализована в какой-то одной плоскости, а может быть воспроизведена в любой плоскости, лежащей за интерференционным делителем. При смещении источника излучения перпендикулярно опти2ческой оси происходит смещениеинтерференционной картины вuплоскости анализа в соответствиис уже известным выражением4 3α = λm/D.Требования к взаимной ори2θентации относительно невысо2'ки, а глухое зеркало, кроме того,может служить дополнительнымРис. 4.34.
Схема лазерного угломераэлементом для проведения юсти- на основе звездного интерферометраровки для получения интерфеМайкельсона:ренционной картины требуемых 1 – газовый лазер: 2 – приемные зеркала; 3– полупрозрачное зеркало; 4 – зеркало127параметров. На базу прибора D (расстояние между центрами приемных зеркал 2 и 2') ограничения накладывает размер сечения лазерногопучка в плоскости анализа, и при использовании оптической системыформирования пучка этот размер может иметь необходимую величину.В полевых приборах ограничение на величину базу приема налагаетсостояние атмосферы, и в зависимости от требуемой точности можноконструктивно воспроизвести приемную систему с габаритами от 40 до1000 мм. При этом точность угловых измерений также будет изменяться в 25 раз, т.е. от 0,05ʺ до 0,002ʺ при измерении 1/20 порядка интерференции.
Дальность действия прибора ограничивается лишь энергетическими критериями и может достигать сотен метров при использованиигазовых лазеров с выходной мощностью в несколько милливатт в видимом диапазоне спектра.4.11. Медицинские лазерные приборыСвойства лазерного излучения делают лазеры незаменимыми источниками в медико-биологических исследованиях и в медицинскойтехнике в качестве диагностического, терапевтического и хирургического оборудования. Как инструмент медико-биологических исследований лазер, обладая высокой степенью монохроматичности и направленности излучения, дает возможность проводить высокоточные спектроскопические исследования. Другими методами лазерных исследованийв биологии и медицине являются микроэмиссионный спектральныйанализ и субпикосекундная фотодиссоциация.
Монохроматичность инаправленность лазерного излучения позволяет проводить широкийспектр диагностических мероприятий по измерению спектрального состава переизлученного потока или по светорассеянию прозрачных илиотражающих сред.В офтальмологии также используется способ испытания сетчаткиглаза при катаракте с использованием интерференционной картины.При регистрации разности отражательных спектров от здоровой и патологической тканей с использованием перестраиваемых по частоте лазеров удается выявить локальные пораженные зоны как на коже, так и внутри тела (желудочно-кишечный тракт, полости рта., глазное дно и т.д.).Созданная в нашей стране серия аберрометров MultiSpot предназначена для автоматического измерения полных аберраций человеческого глаза. Система содержит компенсаторы рефракции и астигматиз128ма, позволяющие увеличивать пределы измерения и легко модифицировать прибор для измерения аккомодации и остроты зрения.
Работаютэти приборы на полупроводниковых лазерах с длиной волны излучения780 нм и мощностью излучения 0,1 мВт. Погрешность измерений до0,1 диоптрии.Лазерная диагностика используется и в онкологии для распознавания ранней стадии заболевания. Существующие методы спектроскопических исследований позволяют выявить область поражения,содержащую всего 10 пораженных клеток. При этом диагностическоеоблучение с длиной волны около 530 нм повреждает раковые клетки,т.е. одновременно оказывается и терапевтическое воздействие. Однимиз типичных приборов такого рода является микрофлуорометр, схемакоторого приведена на рис.
4.35.Прибор позволяет осуществить спектрофотометрический анализфлуоресценции под воздействием лазерного возбуждения и определятьничтожно малые количества вещества (10‒18 г или всего 10 молекул).Высокая эффективность лазерного излучения как пространственная, так и спектральная (но в меньшей степени) позволяют осущест123784N265DyeРис. 4.35. Схема микрофлуорометра:1 – монитор; 2 – блок синхронизации; 3 – блок обработки сигналов; 4 – лазер на азоте;5 – лазер на красителе; 6 – блок формирования лазерной подсветки; 7 – блок контролясигнала подсветки; 8 – фотоэлектрический микроскоп129влять хирургическое и терапевтическое воздействие на организм пациента. Все способы воздействия можно условно разделить на три основные группы:1) термическая лазерная хирургия, включающая коагуляцию, рассечение тканей, испарение;2) нетермическая лазерная микрохирургия на основе оптическогопробоя;3) фотохимиотерапия опухолей.Первая группа основана на поглощении биологическим веществомлазерного излучения в соответствии с законом БугераI(Θ,Z) = I0(Θ)exp(–αZ),где Θ – угловая координата внутри лазерного пучка; α – коэффициентпоглощения вещества; Z – глубина проникновения.Интенсивное поглощение лазерного излучения приводит к повышению температуры в локальной области воздействия лазерного пучка,что приводит к следующим по степени возрастания эффектам: ускорение физиологических процессов; коагуляция; взрывное испарениеводы тканей; обугливание; испарение материалов ткани.При этом за счет коагуляции: образуется бескровный шов; имеет место слабое воздействие на соседние с патологическим участки из-за низкойтеплопроводности тканей; исключается заражение режущим инструментом; появляется возможность резания мягких тканей без их дополнительной фиксации; значительно сокращаются потери крови при операциях.В качестве хирургических инструментов в медицине наиболее часто используются СО2-лазеры для различных операций на коже и внутритела, ИАГ-лазеры для внутриполостных операций с использованиемгибких оптических кабелей и ионные аргоновые лазеры для операцийна глазном дне или в обильно снабжаемых кровью внутренних органах.Такова, например, лазерная медицинская система «ПЕРФОКОР», предназначенная для лечения ишемической болезни сердца путем созданияс помощью лазерного излучения сквозных каналов в сердечной мышце,способствующих восстановлению её кровоснабжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
