[ Ophir ] 雷射作為測量工具

日期：2023/03/17

文章來源: https://blog.ophiropt.com/lasers-as-measurement-tools/

by Assaf Halevy Posted On November 18, 2020

宏惠光電是 MKS Ophir 代理商

#雷射 #測量工具 #光譜儀

雷射被廣泛用於各種領域的眾多應用中。無論是通過光纖傳輸互聯網通信，在工業過程中焊接、切割或標記材料，執行複雜的醫療程序，甚至攔截無人機和導彈——如今雷射似乎無處不在。

雷射已成為主導者的另一個領域是雷射輔助測量。那麼，究竟什麼是雷射輔助測量？顧名思義，這些是通過使用雷射啟用或改進的物理量測量。有多種依賴於雷射的技術，每種技術都利用一種或多種雷射特性。在這篇文章中，我們將介紹這個領域並給出幾個著名的例子。

雷射如何改變我們測量距離的方式

讓我們首先討論雷射如何改變我們測量距離的方式。有趣的是，雷射用於確定物體間距離的方法有很多種，每種方法都是根據我們需要測量的物體的尺寸、它與測量設備的距離以及所需的分辨率來選擇的。例如，術語光探測和測距 (LiDAR) 指的是用於生成環境三維地圖的幾種技術，這些技術基於投射雷射和檢測反射信號。LiDAR 廣泛用於自動駕駛汽車導航等應用，其中運行汽車的計算機需要收集有關其周圍環境的實時信息，以確定最佳駕駛策略並避免事故發生。
最著名的 LiDAR 實施基於飛行時間測量，其中記錄雷射脈衝發射和檢測之間的時間，並使用已知光速計算光源和物體之間的距離。

基於類似操作原理的設備還允許通過以已知時間間隔向移動物體發送多個雷射脈衝並根據光完成一輪所需時間之間的差異來計算其速度，從而測量物體（例如汽車）的速度旅行。圖 1 顯示了低執法機構使用的雷射測速槍。其他 LiDAR 技術，例如連續波頻率調製，依賴於不斷改變雷射的頻率並通過測量返迴光的頻率來推斷距離。
我們將在以後的博文中更深入地探討 LiDAR 技術。回到距離測量——如果我們想以更高分辨率測量小型物體，例如在工業過程的質量保證中，我們通常使用其他測量技術，例如三角測量。幸運的是，我們已經寫了一篇關於非接觸式測距技術的博文，所以我們不會在這裡詳細介紹這個話題。

使用雷射槍測量經過的汽車的速度。

干涉測量

轉向雷射已被證明可用於測量的不同領域——干涉測量法是一個術語，用於描述一組測量方法，這些方法依賴於疊加穿過不同路徑的電磁輻射，以便從生成的干涉圖案中提取信息。

儘管可以使用非相干光源進行干涉測量，但基於雷射的干涉測量技術已成為許多工業和科學應用的工具。在這些應用中，雷射源通常被分成兩束，它們通過不同的光路，然後在檢測器處重新組合。

通過評估產生的干涉圖案，可以計算出兩個光束的光程之間的差異。使用這些信息，可以繪製物體的形狀，可以評估材料的折射率值，甚至可以檢測引力波：引力波是時空曲率的擾動，源自愛因斯坦預測的加速質量在他的廣義相對論中。有史以來最先進的干涉儀位於雷射干涉儀引力波天文台實驗的核心。由於引力波對在其四公里長的干涉儀臂之一中傳播的雷射束施加的變化，它能夠檢測到引力波。該設備非常靈敏，能夠檢測到小於 1/10 的光路變化，

干涉測量法還可以使用稱為光學陀螺儀的設備測量角速度和方向。經典陀螺儀由安裝在萬向節中的旋轉圓盤組成，它可以檢測移動物體方向的變化：如果放置在移動物體上，由於角動量守恆，陀螺儀的圓盤將繼續沿相同方向旋轉，而萬向節將隨著對象方向的改變而旋轉。一個光學陀螺儀依賴於薩格納克效應——當來自同一雷射源的兩束光束沿相反方向穿過同一光路然後疊加時，它們會形成乾涉圖樣。當設備靜止時，兩束光完成一個往返所用的時間相同，產生的干涉圖就是基線信號。
如果設備旋轉，干涉圖案會發生變化，因為與反向傳播的光束相比，沿與設備旋轉方向相反的方向傳播的光束會經歷更短的延遲。這是因為無論方向如何，光的速度都是相同的，因此根據愛因斯坦的狹義相對論，光束傳播的時間和距離會發生變化。因此，與基線信號相比，所產生的干涉條紋發生了位移，並且圖案的相移與設備的角速度成正比。基於這種效應的陀螺儀稱為光纖陀螺儀，它們由耦合到長光纖中的雷射組成。或者，薩格納克效應可以在環形雷射器中表現出來，由兩個獨立的共振模式組成，它們沿相反方向傳播環形雷射器的腔。設備的旋轉導致兩個反向傳播的波的頻率不同，這是由於兩個光束的往返時間之間的差異，以及這些往返由每個模式波長的整數倍組成的約束，以便輕建設性地建造在空腔內。環形雷射陀螺儀的運行依賴於對腔外兩束光束的一小部分進行連續採樣。當這些光束干涉時，可以觀察到與它們的頻率差成正比的拍頻，並根據旋轉速度對其進行校準。上述類型的光學陀螺儀優於傳統機械陀螺儀，因為它們不包含任何移動部件、需要低工作電流、抗衝擊且極其精確。它們主要用於飛機和衛星的慣性導航系統。

光譜學

在測量中使用雷射的另一個例子是光譜學——研究光與物質之間的相互作用。由於原子和分子具有不同的能級，具有明確波長的雷射可以用作研究原子或分子的兩個電子態之間的能隙的工具：例如，通過記錄光在物質中被吸收的時間。

隨著這一領域的發展，科學家們已經創建了一個巨大的目錄，其中包含我們已知的幾乎所有元素和分子的原子和分子躍遷。有了這些知識，雷射經常被用來檢測氣體中各種材料的存在，甚至識別濃縮爆炸物。

顯微鏡

顯微鏡是受益於雷射發展的又一領域。起初，顯微鏡僅包含使用自然光放大所研究物體的透鏡。由於光的波動性，這些經典光學顯微鏡受到衍射極限的限制。自雷射發明以來，科學家們已經找到了利用其特性來超越衍射極限的方法。這些努力創造了一個新領域，稱為超分辨率顯微鏡，它超越了經典的傳統顯微鏡。例如，共焦雷射掃描顯微鏡包含一個小孔，光通過該孔，因此反射光僅從系統的焦平面返回到檢測器。這允許映射正在調查的樣本的橫截面。使用強雷射，這種技術可以測量比使用傳統光學顯微鏡更厚的物體，它主要用於生物學和醫學。

還有其他顯微技術依賴於雷射的偏振度或誘導的非線性光學效應，例如偏振光顯微鏡和雙光子或多光子激發顯微鏡。圖 2 顯示了包含細胞的載玻片，用於在雷射掃描顯微鏡中進行檢查。

原子鐘

雷射在人類建造的最精確的時間測量設備——原子鐘中也發揮著關鍵作用。原子鐘利用某些原子已知的能級差異來生成具有已知頻率的高度穩定和可重複的信號。可以通過計算週期數從該頻率標準測量時間。
秒本身的單位定義為 9,192,631,770 個輻射週期的持續時間，對應於銫 133 原子基態的兩個超精細能級之間的躍遷。小型原子鐘的應用範圍從調整手機站的頻率到為全球定位系統的衛星設置時間，但它們的運行不需要雷射。然而，為了達到盡可能高的精度，即時鐘預計在 100+ 百萬年內損失不超過 1 秒，位於設備核心的原子需要使用稱為雷射的過程進行冷卻冷卻. 由於整體的溫度與原子的速度有關，因此可以通過減慢原子的速度將原子冷卻到接近絕對零。

為了使用雷射冷卻原子，將幾束雷射束對準相同原子的集合體，它們的速度隨著吸收和重新發射光子而降低：通過將雷射的波長設置為略高於兩者之間的能級差在原子水平上，我們只允許向雷射源移動的原子吸收然後發射光子，因為對於這些移動的原子，由於相對論多普勒效應，光的頻率似乎是原子躍遷的正確頻率：經典多普勒效應就是為什麼一輛救護車駛向我們時的音調高於它駛離我們時同一輛救護車的聲音。這是由於我們和救護車之間的相對運動造成的。相對論的多普勒效應是由於光源和觀察者之間的相對運動而在光波中發生的類似現象。
雷射冷卻是一個非常有趣的主題，值得單獨寫一篇博文，但為什麼原子鐘在使用冷原子時性能更好？這主要是因為較冷的原子移動較少，因此從它們發出的輻射頻率的多普勒頻移較少，從而使頻率標準更穩定，因此時鐘更準確。圖 3 顯示了美國國家標準與技術研究所建造的高精度雷射實驗室原子鐘。

有趣的是，多普勒效應也可用於測量流體速度：這是使用雷射多普勒速度計完成的——該設備記錄由於運動粒子的反射而引起的頻率變化，從而非常準確地測量流體的速度。它是如何做到的？由於這種效應，當雷射被移動的粒子反射時，它的光頻率會發生偏移，通過測量這種頻率偏移，可以計算出物體的速度。

雷射也大量用於光學計量領域。隨著微電子工業的快速發展，在過去 50 年中，集成電路上元件的尺寸已顯著減小：晶體管尺寸減小了 2000 倍——從 1971 年的 10 毫米減少到今天的約 5 納米。這種減少導致製造的集成電路的複雜性不斷增加，引發了在各種製造過程中進行精確檢查的需要。雷射已被證明是當今使用的多種光學檢測技術的關鍵組成部分。一些技術依靠測量樣品的散射或反射雷射來檢測缺陷，而其他技術則使用脈衝源在短時間內加熱樣品，從而產生可以被另一雷射束檢測到的聲波。因此，雷射的結合對於質量控制至關重要，並顯著提高處於微電子行業核心的自動化過程的產量。