Интерферометрия — это семейство методов, в которых складываются волны, обычно электромагнитные, вызывая явление интерференции, которое используется для извлечения информации. Интерферометрия — это важный метод исследования в области астрономии, волоконной оптики, инженерной метрологии, оптической метрологии, океанографии, сейсмологии, спектроскопии (и её приложений в химии), квантовой механики, ядерной физики и физики элементарных частиц, физики плазмы, дистанционного зондирования, биомолекулярных взаимодействий, профилирование поверхности, микрогидродинамике, измерения механических напряжений/деформаций, велоциметрии и оптометрии.
Интерферометры широко используются в науке и промышленности для измерения малых смещений, изменений показателя преломления и неровностей поверхности. В большинстве интерферометров свет от одного источника разделяется на два луча, которые проходят по разным оптическим путям, которые затем снова объединяются для создания интерференционной картины; тем не менее, при некоторых обстоятельствах можно создать интерференцию от двух несогласованных источников. Результирующие интерференционные полосы дают информацию о разнице в оптических длин пути. В аналитической науке интерферометры используются для измерения длины и формы оптических компонент с точностью до нанометра; они являются самыми точными приборами для измерения длин. В Фурье-спектроскопии они используются для анализа света, содержащего особенности спектров поглощения или излучения, связанные с веществом или смесью. Астрономический интерферометр состоит из двух или более отдельных телескопов, которые объединяют свои сигналы, предлагая разрешение, эквивалентное разрешению телескопа диаметром, равным наибольшему расстоянию между его отдельными элементами.
Основные принципы
Интерферометрия использует принцип суперпозиции для комбинации волн таким образом, что результат будет иметь какое-то значимое свойство, которое характеризует исходное состояние волн. Это работает, потому что, когда две волны с одинаковой частотой комбинируются, результирующий характер интенсивности определяется разностью фаз между двумя исходными волнами: волны, которые находятся в фазе, будут конструктивно интерферировать, волны, которые находятся не в фазе, будут демонстрировать деструктивную интерференцию. Волны, которые не находятся полностью в фазе или не находятся в противофазе, обладают промежуточной интенсивностью, из которой можно определить их относительную разность фаз. Большинство интерферометров используют свет или какую-либо другую форму электромагнитных волн.
Как правило (см. рисунок 1, известная конфигурация опыта Майкельсона) один входящий пучок когерентного света разделяется на два идентичных пучка светоделителем (частично отражающим зеркалом). Каждый из этих лучей проходит по своему пути, называемый оптическим путём, и они объединяются до прихода к фотодетектору. Разница в оптическом пути, а данном случае — разница в расстоянии, пройденном каждым лучом, создает разность фаз между ними. Именно эта появившаяся разность фаз создает интерференционную картину между первоначально идентичными волнами. Если один луч разделить на два, то разность фаз является характеристикой всего, что изменяет фазу вдоль оптического пути. Это может быть физическое изменение самой длины пути или изменение показателя преломления вдоль пути.
Как видно на рисунках 2a и 2b, наблюдатель смотрит на зеркало M1, через светоделитель, и видит отраженное изображение M′2 зеркала M2. Полосы можно интерпретировать как результат интерференции между светом, исходящим от двух виртуальных изображений источника света S′1 и S′2 от исходного источника S. Характеристики интерференционной картины зависят от природы источника света и точной ориентации зеркал и светоделителя. На рисунке 2а, оптические элементы ориентированы так, что источники S′1 и S′2 находятся на одной линии с наблюдателем, и результирующая интерференционная картина состоит из окружностей, центрированных по нормали к M1 и M'2. Если, как на рисунке 2b, М1 и М′ наклонены по отношению друг к другу, то интерференционные полосы, как правило, принимают форму конических сечений (гиперболы), но если M′1 и M′2 перекрываются, то интерференционные полосы вблизи оси будут равноотстоящими параллельными прямыми. Для точечного источника или аналогично с телескопом, установленным на бесконечности интерференционная картина показана на рисунке 2a, но если S не является точечным источником, то полосы (см. рисунок 2b) будут локализованы на зеркалах.
Использование белого света приведет к образованию узора из цветных полос (см. рисунок 3). Центральная полоса, представляющая равную длину пути, может быть как светлой так и темной в зависимости от количества фазовых инверсий, испытываемых двумя лучами при прохождении через оптическую систему. (См. интерферометр Майкельсона для подробностей)
Классификация Интерферометры и интерферометрические методы можно разделить по ряду критериев:
Гомодинное или гетеродинное детектирование При гомодинном детектировании интерференция возникает между двумя лучами с одной длиной волны (или несущей частоте). Разность фаз между двумя лучами приводит к изменению интенсивности света на детекторе. Измеряется результирующая интенсивность света после смешивания этих двух лучей, или просматривается/записывается картина интерференционных полос. Большинство интерферометров, обсуждаемых в этой статье, попадают в эту категорию.
Гетеродинирование используется для смещения входного сигнала в новый частотный диапазон, а также для усиления слабого входного сигнала (при условии использования активного смесителя). Слабый входной сигнал частоты F1, смешивают с сильной опорной частотой F2 от локального генератора (LO). Нелинейная комбинация входных сигналов создает два новых сигнала, один для суммы f1 + f2 из двух частот, а другой для их разности f1 — f2 . Эти новые частоты называются «гетеродинными». Обычно требуется только одна из новых частот, а другой сигнал отфильтровывается с выхода смесителя. Выходной сигнал обладает интенсивностью, пропорциональной произведению амплитуд входных сигналов.
Наиболее важным и широко используемым применением гетеродинной техники является супергетеродинный приемник (супергетеродин), изобретенный американским инженером Эдвином Говардом Армстронгом в 1918 году. В этой схеме входящий радиочастотный сигнал от антенны смешивается с сигналом от локального генератора (LO) и преобразуется методом гетеродина в сигнал с более низкой фиксированной частотой, называемый промежуточной частотой (ПЧ). Эта ПЧ усиливается и фильтруется перед детектором, который извлекает аудиосигнал, отправляя его на громкоговоритель.
Оптическое гетеродинное обнаружение является расширением гетеродинного метода для более высоких (видимых) частот.
Хотя оптическая гетеродинная интерферометрия обычно выполняется в одной точке, также возможно выполнить её в широком поле .
Двойной и общий оптические пути
Двухлучевой интерферометр — это тот, в котором опорный луч и измерительный луч проходят вдоль разных оптических путей. Примерами могут служить интерферометр Майкельсона, интерферометр Тваймана — Грина и интерферометр Маха — Цендера. После взаимодействия с исследуемым образцом, измерительный луч объединяется с опорным лучом для создания интерференционной картины, которую затем можно интерпретировать.
Интерферометр с общим оптическим путем — это класс интерферометров, в котором опорный луч и измерительный луч проходят по одной и той же траектории. Рис. 4 иллюстрирует интерферометр Саньяка, волоконно-оптический гироскоп, точечный дифракционный интерферометр и интерферометр бокового сдвига. Другие примеры интерферометров общего пути включают фазово-контрастный микроскоп Цернике, бипризму Френеля, интерферометр «Саньяка с нулевой площадью» и интерферометр с рассеивающей пластиной.
Расщепление волнового фронта и амплитудное расщепление Интерферометр расщепления волнового фронта разделяет световой волновой фронт, выходящий из точки или узкой щели (то есть, пространственно-когерентного света), и, после того как две части волнового фронта проходят через разные пути, позволяет им объединиться. Рис. 5 иллюстрирует интерференционный эксперимент Юнга и зеркало Ллойда. Другими примерами интерферометра расщепления волнового фронта являются бипризма Френеля, би-линза Биллета и интерферометр Рэлея.
В 1803 году интерференционный эксперимент Юнга сыграл важную роль во всеобщем признании волновой теории света. Если в эксперименте Юнга используется белый свет, то получается белая центральная полоса конструктивной интерференции, соответствующая равной длине пути от двух щелей, окруженная симметричным рисунком из цветных полос с уменьшающейся интенсивностью. В дополнение к непрерывному электромагнитному излучению эксперимент Юнга был проведен с отдельными фотонами, с электронами и с молекулами фуллеренов, достаточно большими, чтобы их можно было увидеть под электронным микроскопом.
Зеркало Ллойда генерирует интерференционные полосы, комбинируя прямой свет от источника (синие линии) и свет от отраженного изображения источника (красные линии) от зеркала, удерживаемого при малых углах падении. В результате получается асимметричный рисунок полос. Ближайшая к зеркалу полоса равной длины оптического пути скорее темная, чем яркая. В 1834 году Хэмфри Ллойд интерпретировал этот эффект как доказательство того, что фаза отраженного луча от лицевой поверхности инвертирована.
Интерферометр амплитудного расщепления использует частичный отражатель для разделения амплитуды падающей волны на отдельные пучки, которые разделяются и объединяются. Рис. 6 иллюстрирует интерферометры Физо, Маха — Цендера и Фабри -Перо. Другие примеры интерферометра с расщеплением амплитуды включают интерферометр Майкельсона, Тваймана — Грина, лазерный неравномерный путь и интерферометр Линника.
Оптическая схема интерферометра Физо, для проверки плоскопараллельной пластины показана на рис. 6. Откалиброванная контрольная плоскопараллельная пластина помещается сверху тестируемой пластины, разделенной узким зазором. Базовая плоскость тестируемой пластины слегка скошена (необходима только небольшая часть скоса), чтобы предотвратить образование интерференционных полос на задней поверхности пластины. Разделение контрольной и тестируемой пластин позволяет наклонить их по отношению друг к другу. Регулируя наклон, который добавляет управляемый фазовый градиент к рисунку полос, можно управлять расстоянием и направлением полос, чтобы можно было получить легко интерпретируемый ряд почти параллельных полос, а не сложные завихрения контурных линий. Однако разделение пластин требует коллимирования падающего света. Рис. 6 показывает коллимированный луч монохроматического света, освещающий обе пластины, и светоделитель, позволяющий рассматривать полосы на оси.