به کارگیری اشعه لیزر در اندازه گیری ها

پیشگفتار

خصوصيات جهت‌مندي، درخشايي، و تکفامي ليزر باعث کاربردهاي مفيد زيادي براي اندازه گيري و بازرسي در رشته‌مهندسي سازه و فرايندهاي صنعتي کنترل ابزار ماشيني شده است. در اين بخش تعيين فاصله بين دو نقطه و بررسي آلودگي را نيز مد نظر قرار مي دهيم.
هم محور کردن
يکي از معمولترين استفاده هاي صنعتي ليزر هم محور کردن است. براي اينکه يک خط مرجع مستقيم براي هم محور کردن ماشين آلات در ساخت هواپيما و نيز در مهندسي سازه براي ساخت بناها پلها و يا تونلها داشته باشيم استفاده از جهتمندي ليزر سودمند است. در اين زمينه ليزر به خوبي جاي وسايل نوري مانند کليماتور و تلسکوپ را گرفته است. معمولا از يک ليزر هليم – نئون با توان کم استفاده مي شود و هم محور کردن عموما به کمک آشکارسازهاي حالت جامد به شکل ربع دايره اي انجام مي شود. محل برخورد باريکه ليزر روي گيرنده با مقدار جريان نوري روي هر ربع دايره معين مي شود. در نتيجه هم محور شدن بستگي به يک اندازه گيري الکتريکي دارد و در نتيجه نيازي به قضاوت بصري آزمايشگر نيست. در عمل دقت رديف شدن از حدود ۵µm تا حدود ۲۵µm به دست آمده است.

مسافت سنجي
از ليزر براي اندازه گيري مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از ليزر بستگي به بزرگي طول مورد نظر دارد.
براي مسافتهاي کوتاه تا ۵۰ متر روشهاي تداخل سنجي به کار گرفته مي شوند که در آن ها از يک ليزر هليم – نئون پايدار شده فرکانسي به عنوان منبع نور استفاده مي شود. براي مسافتهاي متوسط تا حدود ۱ کيلومتر روشهاي تله متري شامل مدوله سازي دامنه به کار گرفته مي شود. براي مسافت هاي طولاني تر مي توان زمان در راه بودن تپ نوري را که از ليزر گسيل شده است و از جسمي بازتابيده مي شود اندازه گيري کرد.

در اندازه گيري تداخل سنجي مسافت از تداخل سنج مايکلسون استفاده مي شود. باريکه ليزر به وسيله يک تقسيم کننده نور به يک باريکه اندازه گيري و يک باريکه مرجع تقسيم مي شود باريکه مرجع با يک آينه ثابت بازتابيده مي شود در حالي که باريکه اندازه گيري از آينه اي که به جسم مورد اندازه گيري متصل شده است بازتاب پيدا مي کند. سپس دو باريکه بازتابيده مجددا با يکديگر ترکيب مي شوند به طوري که با هم تداخل مي کنند و دامنه ترکيبي آن ها با يک آشکار ساز اندازه گيري مي شود. هنگامي که محل جسم در جهت باريکه به اندازه نصف طول موج ليزر تغيير کند سيگنال تداخل از يک ماکزيموم به يک مينيموم مي رسد و سپس دوباره ماکزيموم مي شود. بنابراين يک سيستم الکترونيکي شمارش فريزها مي تواند اطلاعات مربوط به جابجايي جسم را به دست دهد. اين روش اندازه گيري معمولا در کارگاههاي ماشين تراش دقيق مورد استفاده قرار مي گيرد و امکان اندازه گيري طول با دقت يک در ميليون را مي دهد. بايد يادآوري کرد که در اين روش فقط مي توان فاصله را نسبت به يک مبدا اندازه گيري کرد. برتري اين روش در سرعت دقت و انطباق با سيستم هاي کنترل خودکار است.
براي فاصله هاي بزرگتر از روش تله متري مدوله سازي دامنه استفاده مي شود و فاصله روي اختلاف فاز بين دو باريکه ليزر مدوله مي شود و فاصله از روي اختلاف فار بين دو باريکه گسيل شده و بازتابيده معين مي شود. باز هم دقت يک در ميليون است. از اين روش در مساحي زمين و نقشه کشي استفاده مي شود. براي فواصل طولاني تر از ۱ کيلومتر فاصله با اندازه گيري زمان پرواز يک تپ کوتاه ليزري گسيل شده از ليزر ياقوت و يا ليزر CO2 انجام مي گيرد. اين کاربردها اغلب اهميت نظامي دارند و در بخشي جداگانه بحث خواهد شد کاربردهاي غير نظامي مانند اندازه گيري فاصله بين ماه و زمين با دقتي حدود ۲۰ سانتي متر و تعيين برد ماهواره ها هم قابل ذکر است.

سرعت سنجي
درجه بالاي تکفامي ليزر امکان استفاده از آن را براي اندازه گيري سرعت مايعات و جامدات به روش سرعت سنجي دوپلري فراهم مي سازد. در مورد مايعات مي توان باريکه ليزر را به مايع تابانده و سپس نور پراکنده شده از آن را بررسي کرد. چون مايع روان است فرکانس نور پراکنده شده به خاطر اثر دوپلر کمي با فرکانس نور فرودي تفاوت دارد. اين تغيير فرکانس متناسب با سرعت مايع است. بنابراين با مشاهده سيگنال زنش بين دو پرتو نور پراکنده شده و نور فرودي در يک آشکار ساز مي توان سرعت مايع را اندازه گيري بدون تماس انجام مي شود. و نيز به خاطر تکفامي بالاي نور ليزر براي برد وسيعي از سرعتها خيلي دقيق است.
يکي از سرعت سنجهاي خاص ليزر اندازه گيري سرعت زاويه اي است. وسيله اي که براي اين منظور طراحي شده است ژيروسکوپ ليزريناميده مي شود و شامل ليزري است که کاواک آن به شکل حلقه اي است که از سه آينه به جاي دو آينه معمول استفاده مي شود. اين ليزر مي تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامين کند. فرکانسهاي تشديدي مربوط به هر دو جهت انتشار را مي توان با استفاده از اين شرط که طول تشديد کننده ( حلقه اي ) برابر مضرب صحيحي از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زماني که لازم است نور يک دور کامل بزند زاويه آينه هاي تشديد کننده به اندازه يک مقدار خيلي کوچک ولي محدود حرکت خواهد کرد. طول موثر براي باريکه اي در همان جهت چرخش تشديد کننده مي چرخد کمي بيشتر از باريکه اي است که در جهت عکس مي چرخد. در نتيجه فرکانس هاي دو باريکه اي که در خلاف جهت يکديگر مي چرخند کمي تفاوت دارد و اختلاف اين فرکانسهاي متناسب با سرعت زاويه اي تشديد کننده است . با ايجاد تپش بين دو باريکه مي توان سرعت زاويه اي را اندازه گيري کرد. ژيروسکوپ ليزري امکان اندازه گيري با دقتي را فراهم مي کند که قابل مقايسه با دقت پيچيده ترين و گرانترين ژيروسکوپ هاي معمولي است.

ديسکهاي تصويري و صوتي
از کاربرد های ديگر و يا به عبارت بهتر کاربرد مصرفي واقعي عبارت از ديسک تصويري و ديسک صوتي است. يک ديسک ويدئو حامل يک برنامه ويدئويي ضبط شده است که مي توان آن را بر روي دستگاه تلويزيون معمولي نمايش داد. سازندگان ديسک ويدئويي اطلاعات را با استفاده از يک سابنده روي آن ضبط مي کنند که اين اطلاعات به وسيله ليزر خوانده مي شود. يک روش معمول ضبط شامل برشهاي شياري با طول ها و فاصله هاي مختلف است عمق اين شيارها ۴/۱ طول موج ليزري است که از آن در فرايند خواندن استفاده مي شود. در موقع خواندن باريکه ليزر طوري کانوني مي شود که فقط بر روي يک شيار بيفتد. هنگامي که شيار در مسير لکه باريکه ليزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ويرانگر بين نور بازتابيده از ديوارهاي شيار و به آن کاهش پيدا مي کند. به عکس نبودن شيار باعث يک بازتاب قوي مي شود. بدين طريق مي توان اطلاعات تلويزيوني را به صورت رقمي ضبط کرد.

نوشتن و خواندن اطلاعات
یکی از کاربردهای ديگر ليزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوري در کامپيوترهاست لطف اي حافظه نوري هم در توان دسترسي به چگالي اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تکنيک ضبط عبارت است از ايجاد سوراخ هاي کوچکي در يک ماده مات يا نوعي تغيير خصوصيت عبور و بازتاب ماده زير لايه که با استفاده از ليزرهاي با توان کافي حاصل مي شود. و حتي مي تواند فيلم عکاسي باشد. اما هيچ يک از اين زير لايه ها را نمي توان پاک کرد. حلقه هاي قابل پاک کردن بر اساس گرما مغناطيسي فروالکتريک و فوتوکروميک ساخته شده اند. همچنين حافظه هاي نوري با استفاده از تکنيک تمام نگاري نيز طراحي شده اند. نتيجتا اگر چه از لحاظ فني امکان ساخت حافظه هاي نوري به وجود آمده است ولي ارزش اقتصادي آن ها هنوز جاي بحث دارد.

گرافيک ليزري
آخرين کاربردي که در اين بخش اشاره مي کنيم گرافيک ليزري است. در اين تکنيک ابتدا باريکه ليزر بوسيله يک سيستم مناسب روبشگر بر روي يک صفحه حساس به نور کانوني مي شود و در حالي که شدت ليزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله مي شود به طوري که بتوان آن را بوسيله کامپيوتر توليد کرد.( مانند سيستم هاي چاپ کامپيوتري بدون تماس ) و يا آنها را به صورت سيگنال الکتريکي از يک ايستگاه دور دريافت کرد( مانند پست تصويري). در مورد اخير مي توان سيگنال را به وسيله يک يک سيستم خواننده مناسب با کمک ليزر توليد کرد. وسيله خواندن در ايستگاه دور شامل ليزر با توان کم است که باريکه کانوني شده آن صفحه اي را که بايد خوانده شود مي روبد. يک آشکارساز نوري باريکه پراکنده از نواحي تاريک و روشن روي صفحه را کنترل مي کند و آن را به سيگنال الکتريکي تبديل مي کند. سيستم هاي ليزري رونوشت اکنون به طور وسيعي توسط بسياري از ناشران روزنامه ها براي انتقال رونوشت صفحات روزنامه به کار برده مي شود.