Applicazioni del laser in metrologia e non

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Rosalia Pastore
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1 Applicazioni del laser in metrologia e non

2 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.

Per tarare i blocchetti, si misura la distanza tra una delle due facce e uno specchio posto in contatto con l altra faccia.

3 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 TiO 2 (drogato SnO 2 ) con proprietà fotocatalitiche Il microscopio a sonda dell I.N.RI.M. è equipaggiato con interferometri per il controllo del movimento del campione

In questi microscopi il campione viene movimentato lungo tre direzioni ortogonali mentre una piccolissima punta ne esplora la superficie.

4 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

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.

5 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

Antenne gravitazionali Per misurare le perturbazioni gravitazionali causate da eventi cosmici, si usano interferometri con bracci lunghissimi.

6 Metrologia per la fisica Astrometria 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. Astrometria interferometrica Satellite-satellite interferometer

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

7 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. Con questo strumento è possibile realizzare dei giroscopi per la navigazione (navale, aerea, spaziale) e dei goniometri di precisione. Giroscopio laser usato all I.N.RI.M. per misure angolari di precisione Ring laser

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

8 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.

sensore S1. La luce riflessa dal bersaglio viene rivelata da un sensore S2.

9 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.

spettrofotometro, si può usare una sorgente di luce monocromatica (laser) la cui lunghezza d onda può essere

10 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.

in grado di sviluppare energie di alcuni megawatt, sono

11 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.

12 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

piccolissimo, si possono ottenere densità di energia talmente grandi da fare

13 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)

laser focalizzata sulla superficie del CD e, per mezzo di una serie di rivelatori, misura le variazioni di

14 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.

La luce riflessa dall oggetto viene sovrapposta a quella proveniente dal laser creando delle frange di interferenza che

15 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.

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