Applicazioni del laser in metrologia e non

Applicazioni del laser
in metrologia e non
Applicazioni del laser
nella metrologia dimensionale
Misura di blocchetti di riscontro
I blocchetti di riscontro (gauge blocks)
sono dei parallelepipedi di acciaio la cui
distanza tra due facce opposte viene
utilizzata come campione di lunghezza
per la verifica delle macchine di misura
nell’industria.
Per tarare i blocchetti, si misura la
distanza tra una delle due facce
e uno specchio posto in contatto con
l’altra faccia. Inserendo questo sistema
in uno dei due bracci di un
interferometro, si osservano delle
frange da cui è possibile ricavare
la lunghezza del blocchetto.
Taratura di blocchetti di riscontro
all’I.N.RI.M. Si osserva la differenza
di posizione (e di orientamento)
delle frange sulla faccia anteriore
del blocchetto (rettangolo verticale
al centro) e lo specchio che
aderisce alla faccia posteriore.
Applicazioni del laser nella metrologia dimensionale
Nanometrologia
Nel campo delle misure dimensionali di
oggetti molto piccoli (dimensioni dell’ordine
di alcuni micrometri) si utilizzano i microscopi
a sonda a scansione (SPM). In questi
microscopi il campione viene movimentato
lungo tre direzioni ortogonali mentre una
piccolissima punta ne “esplora” la superficie.
Come nelle CMM, il controllo degli
spostamenti del campione può essere fatto
per mezzo di interferometri.
Immagine di un film sottile
di TiO2 (drogato SnO2)
con proprietà fotocatalitiche
Il microscopio a sonda dell’I.N.RI.M.
è equipaggiato con interferometri
per il controllo del movimento del
campione
Applicazioni del laser nella metrologia dimensionale
Diffrattometria
Per la misura del passo dei reticoli
(artefatti composti da serie di righe
equidistanti incise su una superficie
riflettente) si usa un diffrattometro.
Un fascio di luce con lunghezza
d’onda ! colpisce la superficie del
reticolo.
Secondo la teoria della diffrazione,
si avrà una moltitudine di fasci riflessi
per ogni angolo a = arcsen (!/p)
dove p è il passo del reticolo, cioè la
distanza tra le righe. Nota ! e
misurato " si ottiene con grande
precisione p.
Il diffrattometro utilizzato all’I.N.RI.M.
per la misura del passo dei reticoli
Pattern di diffrazione ottenuto
illuminandoun reticolo bidimensionale
con un fascio laser
Metrologia per la fisica
Gravimetria
Un gravimetro è uno strumento per
misurare l’accelerazione di gravità g.
All’I.N.RI.M. è stato costruito un gravimetro
in cui una massa viene lanciata verso
l’alto, e il suo moto in caduta libera viene
misurato da un interferometro.
Gravimetri
I.N.RI.M.
Antenne gravitazionali
Per misurare le perturbazioni
gravitazionali causate da eventi
cosmici, si usano interferometri
con bracci lunghissimi.
Le deformazioni dello spazio
indotte da queste onde
gravitazionali dovrebbero causare
uno sbilanciamento
dall’interferometro.
Antenna gravitazionale VIRGO, Pisa,
Italy
Metrologia per la fisica
Astrometria
Astrometria interferometrica
Per misurare le posizioni degli astri nel
cielo, si compiono misure angolari
sensibilissime per mezzo di una coppia
di telescopi che costituiscono un
interferometro in luce bianca (che usa
come sorgente di luce la stella in misura)
e un interferometro laser che misura
la posizione delle frange di interferenza
in luce bianca.
Gravimetria SSI
(Satellite-Satellite Interferometry)
Per misurare le variazioni del campo
gravitazionale terrestre o per misurare le
onde gravitazionali nello spazio, sono in
progetto delle missioni spaziali in cui con
un interferometro si misurano le variazioni
di distanza tra delle masse flottanti
all’interno di una “costellazione” di satelliti.
Satellite-satellite interferometer
Applicazioni speciali
Giroscopio laser
In un laser composto da tre o più
specchi (ring laser) due onde
elettromagnetiche viaggiano in
direzioni opposte dando luogo a un
onda stazionaria.
Quando il laser è posto in rotazione,
a causa dell’invarianza della
velocità della luce (relatività) i
nodi e i ventri dell’onda stazionaria
scorrono rispetto al laser con una
velocità proporzionale alla velocità
di rotazione e all’area del ring laser.
Ring laser
Con questo strumento è possibile
realizzare dei giroscopi per la
navigazione (navale, aerea,
spaziale) e dei goniometri di
Giroscopio laser usato
precisione.
all’I.N.RI.M. per misure angolari
di precisione
Applicazioni speciali
Telemetri laser per le
misure di distanza (misura
del tempo di volo)
Una serie di impulsi di luce laser
vengono inviati da una sorgente
verso un bersaglio B, una parte del
segnale viene rivelata dal sensore
S1. La luce riflessa dal bersaglio
viene rivelata da un sensore S2.
La misura del tempo trascorso tra
l’impulso inviato e quello di ritorno
(tempo di volo #t) permette di
calcolare la distanza D dell’oggetto:
D = c #t.
Applicazioni speciali
Spettroscopia
Nelle misure spettroscopiche in cui si analizzano
le righe di assorbimento dei gas in funzione della
lunghezza d’onda, invece di utilizzare una sorgente
di luce bianca e uno spettrofotometro, si può usare
una sorgente di luce monocromatica (laser) la cui
lunghezza d’onda può essere variata (laser accordabili).
Con questa tecnica si ottiene una incertezza molto
inferiore nella misura delle righe di assorbimento.
Altri usi (non metrologici) del laser
Armi laser
Potentissimi laser infrarossi
alimentati da energia chimica
in grado di sviluppare
energie di alcuni megawatt,
sono stati sperimentati
negli USA come mezzo
per neutralizzare missili
o satelliti.
Altri usi (non metrologici) del laser
Medicina
I laser vengono usati in chirurgia
sia come bisturi per fare micro
incisioni, sia per fare micro punti
di sutura.
In particolare in oftalmica vengono
usati laser per attaccare la retina,
per correggere la curvatura della
cornea, per impiantare cristallini
artificiali.
Altri usi (non metrologici) del laser
Taglio e lavorazioni metalli
Concentrando il fascio di un
potente laser a infrarossi,
con lenti o specchi, in un
volume piccolissimo, si possono
ottenere densità di energia
talmente grandi da fare
evaporare i metalli.
Si possono in questo modo
effettuare tagli, lavorazioni
e saldature molto precise
Altri usi (non metrologici) del laser
Lettura/scrittura CD e DVD
Alla base della lettura di un CD, c’è
un sofisticato dispositivo ottico che,
per mezzo di una lente mobile L,
mantiene la luce emessa dal diodo
laser focalizzata sulla superficie del
CD e, per mezzo di una serie di
rivelatori, misura le variazioni
di intensità o di polarizzazione della
luce riflessa (variazioni in cui è
contenuta l’informazione in
codice binario)
Altri usi (non metrologici) del laser
Olografia
La luce proveniente da una sorgente
laser viene divisa in due fasci uno
dei quali investe un oggetto
tridimensionale.
La luce riflessa dall’oggetto viene
sovrapposta a quella proveniente dal
laser creando delle frange di
interferenza che vengono registrate
su una pellicola.
Le frange registrate contengono
l’informazione sulla geometria solida
dell’oggetto che viene restituita
all’occhio quando l’ologramma viene
illuminato da una radiazione coerente.
Altri usi (non metrologici) del laser
Intrattenimento
Usando degli specchi mobili
comandati elettricamente,
è possibile deviare un fascio
laser disegnando figure
geometriche nell’aria (dove
il fascio di luce è reso visibile
da particelle di fumo o di acqua)
disegnando figure sulle pareti
di edifici.