Современная метрология в значительной степени базируется на оптических методах измерения физических величин, и многие стандарты обязаны своим существованием достижениям в лазерной оптике. С другой стороны, освоение новых рубежей физики – по длительности сигналов, стабильности частоты квантовых генераторов, измерениям пространственных смещений и т.д. – требует изобретения новых экспериментальных подходов. Разработка методов прецизионных оптических измерений и соответствующих инструментов занимает важное место в работе Отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН.
Проведены работы по созданию методов высокочувствительных оптических измерений с использованием высокостабильных газовых лазеров, низкокогерентных широкополосных источников излучения и твердотельных пикосекундных лазеров высокой мощности (~ 1 МВт).
Один из циклов работ, посвященных высокочувствительным измерениям, был осуществлен усилиями И. Л. Берштейна и его сотрудников И. А. Андроновой, Ю. И. Зайцева, В. М. Геликонова, Г. Б. Малыкина и др. и базировался на использовании широких возможностей оптической интерферометрии при условии высокого качества излучения применяемых лазерных источников:
- использование гетеродинной схемы, основанной на интерференции сигналов двух лазеров, позволило провести в 1983 году измерения малых смещений на уровне 10–17 м. Измерения с такой чувствительностью в оптике были повторены только в 2000 году на интерферометре LIGO (США);
- гомодинные схемы с одним источником и интерферометрами типа Маха – Цандера и Майкельсона были использованы для создания прибора, измеряющего скорость роста водорастворимых кристаллов, с предельной чувствительностью порядка одного ангстрема в секунду;
- автодинная схема, работающая по принципу реакции лазера на сигнал, отраженный от движущегося объекта, была использована для измерения слабого обратного рассеяния от высококачественных зеркал, при этом удалось достигнуть чувствительности на уровне 2 ? 10–12 по мощности.
 |
Зависимость девиации частоты одночастотного гелий-неонового лазера от напряжения на пьезоподвижке зеркала лазера. Справа на оси ординат отложены соответствующие эффективные значения колебательных перемещений зеркала. |
ИПФ является одной из организаций, включенных в международный научный консорциум LSC (LIGO Scientific Collaboration). Серьезной проблемой для осуществления данного проекта являются контроль качества широкоапертурных (до 30 см в диаметре) оптических элементов и дистанционный мониторинг их состояния в процессе длительной работы (месяцы) в условиях высокой лучевой нагрузки. Важный вклад в программу LIGO вносит деятельность группы сотрудников ИПФ РАН и НИРФИ под руководством И. Е. Кожеватова. В результате фундаментальных научных исследований по широкополосной когерентной оптике этой группой была открыта возможность получения интерференции широкополосного оптического излучения при больших разностях хода лучей. Были получены и сформулированы условия существования этого явления, а наиболее важные для приложений выводы теории проверены и подтверждены экспериментально. По результатам этих исследований был разработан оптический интерференционный метод контроля как поверхностей, так и оптической толщины образца. Метод имеет целый ряд принципиальных преимуществ по сравнению с ранее известными интерференционными методами.
В настоящее время на основе этого метода создан ряд стендов прецизионной оптической диагностики, позволяющих измерять неоднородности поверхности и оптической толщины с поперечными масштабами от 250 мм до нескольких микрон с точностью до единиц ангстрем. Для поверхностей с линейными размерами до 100 мм измерения могут проводиться дистанционно на удалении до 3 м, что позволяет с точностью до единиц ангстрем следить за динамическими явлениями в оптических элементах во время их работы в схеме.
 |
 |
Прибор для прецизионного контроля поверхностей с размерами ~250 мм; b - гравитационный прогиб эталонной пластины (толщина 25 мм), лежащей на трех опорах. Прогиб составляет 0,12 нм на 60 мм. |
