Lasermätteknik När laser kom i början på 60 talet ar det anändningsområde (örutom etenskaplig orskning) man såg ramör sig enbart att strålen skulle kunna anändas militärt ör att med den ärme som utecklas när ljuset absorberas kunna örstöra saker och ting. Sedan dess har många andra tillämpningar etablerats och bliit anliga. CD'n, laserskriaren, teleoni öer optisk iber och små pekpinnelasrar är bara några exempel. Men ett område som erkligen reolutionerats är optiska mättekniker a olika slag. A dessa är örstås aståndsmätning den mest näraliggande. I praktiskt bruk inns här huudsakligen tå tekniker: Pulslöptidmätning (Time o Flight, TOF) och Lasertriangulering. Pulslöptidsmätningen innebär att man klockar hur lång tid en puls tar på sig ör att gå till mätobjektet och tillbaka. Upplösningen i en sådan mätning ges a den längsta a pulslängden, T, och detektionssystemets sarstid. I de lesta all (med Q-switchad laser exis) ligger denna tid runt ngn ns. Räknat i längd blir då elet i mätningen Δ L ct / ilket blir några dm. Obs att detta el är oberoende a astånd, ds på 10m astånd är elet 1% och på 500m astånd 0.0%! Instrumentets räckidd ("hur långt lasern når") beror inte på hur långt strålen tar sig. Vi et ju sedan tidigare att strålen kan nå åtskilliga km utan att bli större än enstaka cm. Begränsningen ligger i stället i att ljuset eter relektion mot en matt yta (gran, stridsagn, lygplan) sprids i alla riktningar ds i en halsär. Om målet är örsett med laserrelektor minskas spridningsinkeln till ngt tiotal mrad ds en tiotusendel a en halsär. Hur stor andel a detta ljus som detektor med eentuell lins kan samla in beror a astånd, L, linsens (eller detektorns) radie r: Ljuset sprids öer en yta, medan linsen har en yta a Det numeriska ärdet gäller en lins med radie 3cm och astånd 1km. A en ursprunglig puls på 10mJ kam man alltså räkna med att samla in 5pJ. Vilket ligger nära undre gränsen ör ad en detektor kan se. På stationära anläggningar kan man kanske öka linsradien ngt, men annars inns inte så mycket att göra. Dessutom kanske målet är så eländigt att det inte är krititt, ds att det absorberar en del. Pulsekon ör hastighetsmätning Man mäter i detta all inte hastighet direkt, utan astånd id tå tidpunkter, deinerar skillnaden däremellan som örlyttning och delar sedan med tiden mellan mätningarna (mättiden). Detta ger oss ett el i hastigheten på:
ds ju längre man kan mäta ju bättre noggrannhet år man. En oceanångare, där man kan mäta under 10s kan man mäta med ett el a bråkdelar a 1m/s, men ett stridlygplan.. Om mättiden är 0.1s blir det inte bättre än tiotals till hundratals m/s. Detta kan naturligtis pressas med kortare pulser, snabbare detektorer os, men i detta härad ligger det! Riktigt katastroalt blir det om man örsöker beräkna en acceleration genom att mäta tå hastigheter, ds tre astånd. Skillnaden mellan de tå hastigheterna delas sedan med mättiden och då år man accelerationen. Felet i den blir då summan a tå hastighetsel delat med mättiden, ds lera g! För mer kräande hastighetsmätningar anänds i stället dopplereekt där man år en rekensändring på det relekterade ljuset som kan mätas genom att blanda detta med en liten del a det utsända och sedan registrera de säningar man år id blandningen. Denna säningsrekens blir där α är inkeln mellan objektets rörelse och obserationsriktningen. Denna kan kombineras med en aståndsmätning om det ljus som sänds ut pulsas på lämpligt sätt (sågtand). Vi tittar i detalj på detta senare. Lasertriangulering Vi lasertriangulering anänds inte löptiden ör att mäta aståndet utan ad man gör är egentligen att mäta basen i en mycket spetsig triangel ars spets ligger id målet. Principen ser ut som i iguren: Man belyser objektet så att en spot bildas på den. Det ljus som återkastas samlas ihop a en lins mot en detektor som är positionskännande, ds känner ar ljusets tyngdpunkt ligger. Denna kommer att ligga i örlängningen a den stråle som går genom mitten a linsen ilket innebär att den lilla triangeln s/ kommer att ara likormig med den stora a/l, ds La/s. Upplösningen i denna mätning beror på hur noggrant s kan mätas Vi utgår rån och dierentierar den (ör att se hur ett el i s ortplantar sig till L)
Välj exis L100m, a0.5m och 0.m. s kan med modern PSD (PositionSensitieDetector) mätas med 100nm noggrannhet, ilket ger oss cm noggrannhet. Med en mer normal PSD kommer i ändå ner till dm. Men elet ökar snabbt med astånd!! Flödesmätning Vid optiska lödesmätningar anänds ota en laserbaserad dopplermetod kallad LDV (Laser Doppler Velocimetry). Denna bygger på dopplereekten ilken härled nedan ör en källa som rör sig med hastighet och säder ut ljus med en åglängd som i sändarens system upples ara som är lika med c/ Partikeln betraktas id tre på arandra öljande ljusutsändningstidpunkter, åtskilda i tiden med en period ör ljuset. Sträckan partikeln rör sig blir då st. Vid ar och en a dessa tidpunkter utsänds en ågront. Den örsta a dessa har då hunnit och den andra när den sista sänds ut. Etersom den utsändande partikeln hunnit lytta sig mellan utsändningarna blir emellertid aståndet mellan ågronterna ' T cosθ Δ T cosθ Eter det i så småningom ska mäta är ilken säningsrekens i år mellan detta ljus och ljus rån orörliga partiklar är det bra att uttrycka detta som en rekensändring: c c c Δ Δ Δ cosθ cosθ c I allet med ljus som inte sänds ut a partikeln utan relekteras mot den kan man generalisera till Δ cosθ ) in ut där inklarna är inkel mellan inkommande ljus och hastighetsektorn resp spritt ljus (betraktningsriktningen) och hastighetsektorn. Möjligen kan man tycka att det är intressant att se att detta uttryck kan härledas ut det relatiistiska uttrycket ör tidsdilatation, ilket också ger och att den relatia ändringen a rekensen är /c. Detta låter som en mätteknisk omöjlighet, men är det som gör att den sökta storheten är mätbar.
Iden är nu sedan att låta det spridda ljuset intererera med ljus som inte relekterats mot rörligt mål och därör har kar sin ursprungliga rekens/åglängd. Man kan då öränta sig att intensiteten arierar med skillnadsrekens pga säning. Det inns tå principiellt olika mätuppställningar ara den öra illustrueras i iguren nedan. Som synes är det en uppställning som liknar en Mach Zender ntererometer, men den lilla ändringen att en spegel är utbytt mot spridning i den strömmande ätskan. Spridningen i en sådan sker så gott som isotropt och omattar dessutom otast bara en mindre del a det belysande ljuset. Alltså bör den örsta stråldelaren släppa igenom nästan allt ljus och bara relektera en mycket liten andel. Det spridda ljuset måste sedan samlas ihop med en lins mot detektorn ilket innebär att man måste ta hand om ljus som är spritt i olika riktningar. Detta leder till en motsarande osäkerhet i hastighetsbestämningen etersom cos aktorerna arierar med olika riktningar. Man hamnar alltså i en obehaglig motsatsställning mellan ljusekonomi och mätprecision. A denna anledning utecklades tidigt metod, som ungerar enligt idstående igur: Iden är att inte ha någon reerensstråle som är opåerkad utan låta spritt ljus rån tå laserstrålar intererera med arandra. Det spridda ljuset rån stråle 1 år rekensen θ ) 1' + in,1 cos ut,1 där θ in,1 är inkeln mellan stråle 1 och lödet, och θ ut,1 är inkeln mellan lödet och den spridda strålen. Denna är lika ör ljus spritt rån stråle 1 och rån stråle arör man kan ta bort index 1 och i den spridda strålen. För stråle blir det helt analogt Den säning som uppkommer på detektorn år nu rekensen Δ θ ) 1' ' in,1 cos in, ds den blir oberoende a ilken a de spridda strålarna i registrerar etersom alla par ger samma skillnadsrekens.
Numeriskt exempel: Låt stråle 1 och stråle bilda inkeln 30 mot linsernas symmetriaxel. Detta ger att den trigonometriska aktorn blir 1. Väljer i då 514nm åglängd (Ar jons laser) år i ör 1m/s i lödeshastighet ca MHz. Elektriska rekenser är mätbara upp till ca 10GHz ilket ger oss mätområdet. Metodens saghet är att den kräer mycket stark laser etersom andelen ljus som sprids i den lilla rymdinkel detektorlinsen upptar är liten. Den går dessutm bara att anända id rörelse hos asta material eller id laminärt löde i luider. Ett alternati till oanstående id hastighetsmätning på örbipasserande ytor är att okusera ljus på ytan och sedan titta på relexen rån ytan, abildad genom en lins och ett gitter. Uppställningen blir som i ig : Lasern (som ota är a halledartyp) belyser genom en lins ytan på det objekt som rör sig med en spot som har diametern w. Denna yta abildas på återägen genom linsen mot ett plan som ligger mellan ett gitter och en arraydetektor. På arraydetektorn bildas en (deokuserad) läck med diameter w som pga gittret tredubblas (tre ordningar). Detta innebär att en detalj som passerar genom w på tiden t kommer att passera genom w på tiden (w /w)t, ds detaljen (eller skugga eller diraktionsmönstret) a den rör sig med hastigheten w' ' w Aståndet i detektorplan, b, mellan de tre kopiorna a samma detalj ges a gitterormeln b L tan θ L sinθ L d Tiden mellan passage a samma detaljskugga på ett detektorelement blir då b t ' L w dw' dw' rekens Lw I detektorerna registreras örstås många olika rekenser beroende på att ytan är mer eller mindre matt, ilket genererar en brusliknande signal. Däremot örekommer oanstående rekens hela tiden så om signalen år passera en rekensanalysator är den lätt att mäta. Detta är den princip exis optiska möss anänder sig a.