Интерферометры и интерференционные фильтры

Интерферометры для астрономии всего мира

Радиоинтерферометры

• Калгурский из Nançay ( Cher , Франция ), предназначенный для наблюдения солнечной короны , в радио-метровых волнах (CNRS, Обсерватория Париж / Meudon и ENS)
• интерферометр на плато Буре ( Альпы , Франция ), наблюдение в миллиметровых волнах, в основном около 115 и 230  ГГц ( IRAM )
• VLA в США, недалеко от Сокорро
• ATCA в Австралии
• Система телескопов Аллена (ATA), Национальный вулканический парк Лассен , США
• Atacama Большой миллиметровый массив (ALMA), в Чили , в миллиметровом и субмиллиметровом доменов

Оптические интерферометры

См. Статью: Оптический интерферометр с длинной базой

Оптические интерферометры с длинной базой, находящиеся в эксплуатации в 2014 году. Приведены название, расположение, количество телескопов N, максимальная база B и длина волны λ.

Фамилия	место расположения	НЕТ	B м	λ ( мкм )
Инфракрасный пространственный интерферометр (ISI)	Маунт Уилсон , США	3	30	10
Кембриджский телескоп с синтезированной оптической апертурой (ПОБЕРЕЖЬЕ)	Кембридж , Великобритания	5	65	0,40–0,95 1,2–1,8
Звездный интерферометр Сиднейского университета (SUSI)	Наррабри , Австралия	2	640	0,40–0,9
Прототип оптического интерферометра ВМФ (НПОИ)	Андерсон Меса , США	6	435	0,45–0,85
Оптико-инфракрасная матрица Mitaka (MIRA-I)	Токио , Япония	2	4	0,8
Центр астрономических массивов с высоким угловым разрешением (CHARA-Array)	Маунт Уилсон , США	6	350	0,45–2,4
Интерферометр с очень большим телескопом (VLTI)	Серро Параналь , Чили	4	200	1,2–13
Большой бинокулярный телескоп (LBT)	Гора Грэм , США	2	23	0,4–400

Технические темы [ править ]

Шаговый интерферометр править

Это интерферометр Майкельсона, в котором зеркало в одном плече заменено эталоном Жира – Турнуа . Высокодисперсная волна, отраженная эталоном Жира – Турнуа, интерферирует с исходной волной, отраженной другим зеркалом. Поскольку изменение фазы эталона Жира – Турнуа является почти ступенчатой ​​функцией длины волны, полученный интерферометр имеет особые характеристики. Он находит применение в волоконно-оптической связи в качестве оптического перемежителя .

Оба зеркала в интерферометре Майкельсона можно заменить эталонами Жира – Турнуа. Таким образом, ступенчатое отношение фазы к длине волны становится более выраженным, и это может быть использовано для создания асимметричного оптического перемежителя. необходима цитата

Фазово-сопряженная интерферометрия править

Отражение от ОВП двух световых пучков инвертирует их разность фаз
на противоположную . По этой причине интерференционная картина в двухлучевом интерферометре резко меняется. По сравнению с обычной интерференционной кривой Майкельсона с периодом полуволны Δφ{\displaystyle \Delta \varphi }−Δφ{\displaystyle -\Delta \varphi }λ2{\displaystyle \lambda /2}

I(ΔL)∼1+γ(ΔL)cos⁡(2kΔL){\displaystyle I(\Delta L)\sim },

где — корреляционная функция второго порядка, интерференционная кривая в ОВФ
имеет гораздо больший период, определяемый сдвигом частоты
отраженных лучей:
γ(ΔL){\displaystyle \gamma (\Delta L)}δω=Δkc{\displaystyle \delta \omega =\Delta kc}

I(ΔL)∼1+γ(ΔL)+0.25cos⁡(ΔkΔL){\displaystyle I(\Delta L)\sim \cos(\Delta k\Delta L)]}, где кривая видимости отлична от нуля, когда разность оптических путей
превышает длину когерентности световых лучей. Нетривиальные особенности фазовых флуктуаций в оптическом ОВФ-зеркале исследовались с помощью интерферометра Майкельсона с двумя независимыми ПК-зеркалами. ОВФ-интерферометрия Майкельсона является многообещающей технологией когерентного суммирования лазерных усилителей.
Конструктивная интерференция в матрице, содержащей светоделители лазерных лучей, синхронизированных с помощью
фазового сопряжения,
может увеличить яркость усиленных лучей, как . ΔL>ℓcoh{\displaystyle \Delta L>\ell _{\rm {coh}}}N2{\displaystyle N/2}N{\displaystyle N}N2{\displaystyle N^{2}}

Интерферометр — майкельсон

Различные модели интерферометров Майкельсона изготовлены фирмой Qaertner Scientific Corporation. Кроме того, различные оптические предприятия изготовляют приспособления, которые позволяют использовать принцип интерферометра Майкельсона для измерения толщины пленок. Интерференционный микроскоп фирмы Zeiss для расщепления луча использует две призмы в виде куба. Изменяя ориентацию одной или обоих плоских стеклянных пластин, одну в опорном направлении и другую в направлении образца, можно изменять интервалы и направление полос интерференции.
 

Главная особенность интерферометра Майкельсона по сравнению с интерферометрами других типов заключается в том, что с его помощью можно непрерывно изменять разность хода между пучками в широких пределах путем перемещения одного из зеркал и наблюдать при этом интерференционные полосы высоких порядков.
 

Оптическая схема интерферометра Майкельсона применяется в современных спектральных приборах нового типа — фурье-спектрометрах, особенно эффективных для исследования инфракрасной части спектра слабых источников, когда приходится применять сравнительно малочувствительные приемники излучения с относительно большими собственными шумами. Рассмотрим кратко принцип их действия.
 

Основная схема интерферометра Майкельсона изображена на рис. 7.2. Пучок от источника L падает на пластинку PI, покрытую тонким слоем серебра или алюминия. Луч АВ, прошедший через пластинку PI, отражается от зеркала Si и, попадая опять на пластинку PI, частично проходит через нее, а частично отражается по направлению АО. Луч АС отражается от зеркала S-2 и, попадая на пластинку PI, частично проходит также по направлению АО. Так как обе волны 1 и 2, распространяющиеся по направлению ЛО, представляют собой расчлененную волну, исходящую из источника L, то они когерентны между собой и могут интерферировать друг с другом.
 

Оптическая схема интерферометра Майкельсона не является единственной, на основе которой может быть построен фурье-спектрометр. Подобно тому, как это имело место с сисамом, фурье-спектрометр может быть осуществлен с помощью поляризационного устройства — призмы Волластона.
 

ИК-излучения обычно используют интерферометр Майкельсона.
 

Сисам — это интерферометр Майкельсона, в котором плоские зеркала заменены дифракционными решетками. При линейном изменении разности хода лучей двух интерферирующих пучков периодически изменяется освещенность в интерференционной картине на выходном отверстии прибора, тем самым осуществляется амплитудная модуляция излучения в узкой спектральной области. Это модулированное излучение регистрируется приемником. Изменение регистрируемой длины волны осуществляется, как и в обычных щелевых спектрометрах, медленным вращением решеток, и запись спектра производится с помощью самописца.
 

В последние годы интерферометр Майкельсона получил, как уже упоминалось, новое и весьма перспективное применение.
 

Схема интерферометра Майкельсона.

Первым интерферометром является интерферометр Майкельсона, принцип конструкции которого до сих пор широко применяется в различных технических интерферометрах.
 

Как видно, интерферометр Майкельсона работает на большой разности хода, что требует высокой монохроматичности света.
 

Пространственная когерентность, иллюстрируемая интерференционным опытом Юнга для света от теплового источника а.

Делитель пучка D интерферометра Майкельсона расщепляет каждый волновой цуг на два цуга одинаковой формы и амплитуды. Волновые цуги двух пучков вновь складываются в плоскости наблюдения Зе. При этом цуги, порожденные одним падающим волновым цугом, оказываются сдвинутыми друг относительно друга, поскольку между пучками возникает время задержки At. Очевидно, что сильная корреляция между флуктуациями в двух пучках будет иметь место в плоскости SB в том случае, если время задержки мало по сравнению с 1 / Az /, т.е. мало по сравнению с длиной когерентности света. Если же время задержки значительно больше, чем 1 / Az /, то корреляция фактически будет отсутствовать.
 

Описывая работы с интерферометром Майкельсона, мы не учитывали того обстоятельства, что они проводились на Земле, которая движется в мировом пространстве, причем средняя скорость ее перемещения по орбите вокруг Солнца составляет примерно 3 — Ю4 м / сек.
 

Теорема реализуется в интерферометре Майкельсона, где волновые фронты разделенных световых пучков коррелируют на приемнике излучения. Взаимное смещение двух волновых фронтов вызывается фазовым сдвигом, или оптической разностью хода интерферирующих пучков. Преобразование Фурье этого смещения является спектром.
 

Эксперимент Майкельсона-Морли

В 1887 году два американских физика решили доказать существование светоносного эфира. Его пытались обнаружить ученые всего мира, поскольку Джеймс Максвелл сумел подробно обосновать эту концепцию в своих работах. Причем Максвелл не разрабатывал конкретные модели эфира и не опирался на его свойства, кроме способности поддерживать перемещения электромагнитных колебаний в пространстве.

Используя приведенное выше уравнение и его экспериментально определенные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, Максвелл рассчитал скорость света в пределах 5% от современного значения. Поскольку ему удалось это сделать, ученый предположил, что свет был волной и для его распространения требовалась среда. Эта среда была названа «эфиром», который и пытались обнаружить Майкельсон и Морли в своем эксперименте.

Предполагалось, что в случае существования эфира время, которое потребовалось бы свету, чтобы пройти через два зеркала-отражателя интерферометра, используемого Майкельсоном и Морли, было бы другим и возвращалось бы «в противофазе». Оно бы также менялось в течение года, потому что Земля, вращаясь по орбите, изменила бы свое положение относительно эфира (как на изображении справа).

То есть «эфирный ветер» должен был обдувать планету и смещать показатели интерферометра полгода в одну сторону, полгода – в другую. Но через год Майкельсон и Морли не обнаружили никаких интерференционных изменений! Это значило, что свет всегда имел одинаковое время пути при прохождении через два зеркала аппарата и всегда возвращался по фазе в один и тот же момент.

На картинках выше – интерференционные образцы, созданные интерферометром.

Эксперимент подтвердил, что раз нет эфирного ветра, то нет и самого эфира, а значит, свет не является волной в ее классическом понимании.

Так, эксперимент Майкельсона-Морли, который стал подтверждением гипотезы о том, что свет с постоянной скоростью проходит через все системы отсчета, привел к появлению теории относительности. И несмотря на то, что Эйнштейн утверждал, что, разрабатывая теорию, не учитывал результаты экспериментальных исследований, нельзя отрицать, что опыт американских ученых не способствовал более быстрому принятию радикальной теории научным сообществом.

Выводы

Насчет значимости вклада Альберта Майкельсона в современную физику не должно быть никаких сомнений. Во-первых, он точно измерил скорость света с помощью своих экспериментов, усовершенствовав метод Фуко; во-вторых, разработал интерферометр, который использовался для тестов эфира и предоставил доказательства для второго постулата Эйнштейна.

Несмотря на распространенные убеждения, эксперимент Майкельсона-Морли не был направлен на измерение скорости света. Благодаря использованию светоделителя опыт позволил американским физикам устроить «гонку» между двумя одинаково быстрыми «машинами». Единственный результат, который имел значение, заключался во времени начала и конца светового пути, а не в том, насколько быстрым он был. Поскольку расщепленные полупрозрачным зеркалом световые лучи возвращались в один и тот же момент, их скорости должны были быть одинаковыми.

И хотя опыт Майкельсона-Морли стал экспериментальным доказательством второго постулата специальной теории относительности, его результаты можно объяснить, рассматривая относительную скорость света. Предполагая, что движущийся источник может создать более высокую скорость распространения света, дополнительная скорость отменяет эффект движения зеркал в устройствах. Предположение об изменении скорости распространения света из-за движения источника также устраняет необходимость сокращать длину, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли.

На картинке выше можно увидеть, что свет проходит через воздух намного быстрее, чем через смолу. Это подтверждает мысль о том, что коэффициент преломления различных веществ влияет на скорость распространения света.

Обложка: scienceabc.com

Интерферометр Юнга

представляет собой непрозрачный экран, в котором на некотором расстоянии s друг от друга вырезаны два малых отверстия Р₁ и Р₂ . Пусть на такой экран перпендикулярно падает случайная линейно поляризованная волна, поле которой E(r,t) будем считать стационарным и однородным. Волновые пучки, исходящие из отверстий Р₁ и Р₂, интерферируют на экране Q₂, расположенном на некотором расстоянии от экрана Q₁. t₁-t₂= τ.

Контраст интерференционной картины, следуя Майкельсону, обычно характеризуют величиной

которую называют видностью. В соответствии с  для видности в окрестности точки Р имеем

Если интенсивности интерферирующих пучков одинаковы (I₁=I₂), то значение ν(Р) максимально и

т.е. видность интерференционной картины просто равна степени пространственной когерентности.

В общем случае видность дает информацию о степени пространственно-временной когерентности. Если время задержки τ≈τ _к, то видность будет зависеть от τ :

υ=υ(τ)=│γ (s,τ)│

Если временная задержка меньше времени корреляции τ<<τ_к, то интерферометр Юнга позволяет определить поперечную пространственную когерентность. Если мы хотим измерить не искаженную пространственной статистикой временную корреляционную функцию поля, следует обратиться к другой интерференционной схеме — интерферометру Майкельсона.

Рис. 6. Интерферометр Юнга

Конфигурация [ править ]

Рис. 2. Путь света в интерферометре Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона состоит минимально из зеркал M ₁ & M ₂ и расщепитель лучей M . На рисунке 2, источник S излучает свет , который попадает на светоделитель (в данном случае, пластина светоделитель) поверхности М в точке С . М является частично отражающим, так что часть света проходит через к точке B , в то время как некоторые находит свое отражение в направлении A . Оба луча рекомбинируют в точке C ‘, чтобы создать интерференционную картину, падающую на детектор в точке E(или на сетчатке глаза человека). Если, например, между двумя возвращающимися лучами есть небольшой угол, то детектор изображения будет регистрировать синусоидальную полосу, как показано на рис. 3b. Если существует идеальное пространственное выравнивание между возвращающимися лучами, тогда не будет никакого такого рисунка, а скорее будет постоянная интенсивность по лучу, зависящая от дифференциальной длины пути; это сложно, требуя очень точного контроля траектории луча.

На рис. 2 показано использование когерентного (лазерного) источника. Также можно использовать узкополосный спектральный свет от разряда или даже белый свет, однако для получения значительного интерференционного контраста требуется, чтобы дифференциальная длина пути была меньше длины когерентности источника света. Это может быть только микрометр для белого света, как обсуждается ниже.

Если использовать светоделитель без потерь, то можно показать, что оптическая энергия сохраняется . В каждой точке интерференционной картины мощность, которая не направляется на детектор в точке E , скорее присутствует в луче (не показан), возвращающемся в направлении источника.

Рис. 3. Формирование полос в интерферометре Майкельсона.

На этой фотографии показан узор полос, сформированный интерферометром Майкельсона с использованием монохроматического света (D-линии натрия).

Как показано на фиг. 3a и 3b, наблюдатель имеет прямой вид на зеркало M _1, видимое через светоделитель, и видит отраженное изображение M ‘ ₂ зеркала M ₂ . Полосы могут быть интерпретированы как результат интерференции между светом , идущей от виртуальных двух изображений S « ₁ и S» , ₂ из оригинального источника S . Характеристики интерференционной картины зависят от типа источника света и точной ориентации зеркал и светоделителя. На рис. 3а оптические элементы ориентированы так, что S ‘ ₁ и S’ ₂находятся на одной линии с наблюдателем, и результирующая интерференционная картина состоит из кругов с центром по нормали к M ₁ и M ‘ ₂ (полосы с одинаковым наклоном ). Если, как на рис. 3b, M ₁ и M ‘ ₂ наклонены относительно друг друга, интерференционные полосы обычно принимают форму конических участков (гипербол), но если M ₁ и M’ ₂перекрываются, полосы около оси будут прямыми, параллельными и равномерно разнесенными (полосы одинаковой толщины). Если S представляет собой протяженный источник, а не точечный источник, как показано, полосы на рис. 3a должны наблюдаться с помощью телескопа, установленного на бесконечность, в то время как полосы на рис. 3b будут локализованы на зеркалах. : 17

Интерферометрия

Если говорить просто, то интерферометрия – использование помех в наложенных волнах, чтобы измерить их характеристики. Метод интерферометрии применяется во многих научных областях, например, астрономии, инженерии, физике, волоконной оптике и океанографии.

В промышленном плане с ее помощью измеряют небольшие помещения, показатель преломления и неровности на поверхностях. При объединении двух волн с единой частотой, результирующий узор основывается на отличие их фаз. Конструктивные помехи формируются, если волны соответствуют по фазе, а деструктивные – не сходятся. Этот принцип используют в интерферометрии, чтобы получить сведения об исходном состоянии волн.

Локализация помех

Расположение помех, визуализируемых с помощью Майкельсона, зависит не только от размера источника, но и от конфигурации Майкельсона.

Михельсон освещен точечным источником

Если светильник Майкельсона освещается (почти) точечным источником, например гелий-неоновым лазером , интерференции видны по всей области перекрытия лучей: мы говорим, что интерференции не локализованы . Их можно наблюдать без какой-либо оптической системы при условии, что также проверяется условие временной когерентности (например, с помощью лазера).

Майкельсон освещен протяженным источником воздуха

Если микрофон Майкельсона, установленный в воздушном клине, освещается протяженным источником, например, спектральной лампой или белой лампой, помехи не скремблируются, а локализуются в непосредственной близости от воздушного клина . Мы можем их наблюдать:

• либо путем формирования изображения воздушного клина (то есть зеркал) на экране с помощью собирающей линзы;
• или наблюдая невооруженным глазом за воздушный клин (то есть зеркала) во время размещения.

Майкельсон освещен протяженным источником воздуха

При использовании регулируемого воздушного ножа Майкельсона, освещенного протяженным источником, помехи не скремблируются, а локализуются до бесконечности . Мы можем их наблюдать:

• либо путем размещения экрана в фокальной плоскости изображения собирающей линзы;
• или наблюдая невооруженным глазом без аккомодации.

Пропускная способность источника [ править ]

Рис. 4. Интерферометры Майкельсона с использованием источника белого света.

Белый свет имеет крошечную длину когерентности и его трудно использовать в интерферометре Майкельсона (или Маха – Цендера ). Даже узкополосный (или «квазимонохроматический») спектральный источник требует пристального внимания к вопросам хроматической дисперсии при использовании для освещения интерферометра. Два оптических пути должны быть практически одинаковыми для всех длин волн, присутствующих в источнике. Это требование может быть выполнено, если оба световых пути пересекают стекло одинаковой толщины с одинаковой дисперсией.. На рис. 4а горизонтальный луч трижды пересекает светоделитель, а вертикальный луч один раз пересекает светоделитель. Для выравнивания дисперсии на пути вертикального луча может быть вставлена ​​так называемая компенсирующая пластина, идентичная подложке светоделителя. : 16 На рис. 4b мы видим, что использование кубического светоделителя уже выравнивает длины пути в стекле. Требование выравнивания дисперсии устраняется за счет использования очень узкополосного света от лазера.

Размер полос зависит от длины когерентности источника. На рис. 3b желтый натриевый свет, используемый для иллюстрации полос, состоит из пары близко расположенных линий, D 1 и D 2 , подразумевая, что картина интерференции будет размыта после нескольких сотен полос. Лазеры с одной продольной модой обладают высокой когерентностью и могут создавать высококонтрастные помехи с разной длиной оптического пути в миллионы или даже миллиарды длин волн. С другой стороны, при использовании белого (широкополосного) света центральная кайма резкая, но вдали от центральной каймы полосы становятся цветными и быстро становятся нечеткими для глаза.

Ранние экспериментаторы, пытающиеся обнаружить скорость Земли относительно предполагаемого светоносного эфира , такие как Майкельсон и Морли (1887) и Миллер (1933), , использовали квазимонохроматический свет только для начального выравнивания и грубого выравнивания траектории движения света. интерферометр. После этого они переключились на белый (широкополосный) свет, поскольку с помощью интерферометрии белого света они могли измерить точку абсолютного фазового выравнивания (а не фазу по модулю 2π), тем самым установив равные длины пути двух плеч

Что еще более важно, в интерферометре белого света любой последующий «скачок полосы» (дифференциальный сдвиг длины пути на одну длину волны) будет всегда обнаруживаться

Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Майкельсона – самый распространенный в использовании интерферометр, созданный А. А. Майкельсоном. Принцип действия заключается в разделении светового луча на два пути. После этого он рекомбинирует их и формирует интерференционную картинку. Чтобы создать полосы на детекторе, пути должны обладать разной длиной и составом.

Цветные и монохроматические полосы: (а) – белые полосы, где два пучка отличаются по числу фазовых инверсий; (b) – белые полосы, где два пучка характеризуются единым числом фазовых инверсий; (с) – шаблон полос с монохроматическим светом

На нижнем рисунке видно, как работает прибор. M₁ и M₂ – два сильно полированных зеркала, S – световой источник, M – зеркало с половиной серебра, функционирующее как разделитель лучей, а C – точка на M, частично отражающая. Когда луч S попадает в точку на M, то разделяется на два пучка. Один луч отражается в сторону A, а второй передается через поверхность M в точку B. A и B – точки на сильно полированных зеркалах M₁ и M₂. Когда лучи попадают в эти точки, то отражаются обратно в точку C, где рекомбинируют для создания интерференционной картины. В точке E она попадает в обзор наблюдателю.

Диаграмма интерферометра Майкельсона демонстрирует маршрут прохождения световых волн

Интерферометрия в дистанционном зондировании

Термин интерферометрия в активном дистанционном зондировании (получение изображений с радара ) обозначает метод или методы, использующие как минимум два сложных изображения радара с синтезированной апертурой (SAR) (SAR или радар с синтезированной апертурой ), чтобы получить дополнительную информацию о объекты, присутствующие в одном изображении SAR, используя информацию, содержащуюся в фазе сигнала RSO. Этот метод находит прямое применение в геофизике благодаря его способности обнаруживать смещения порядка сантиметра.

Интерферометрия также используется в пассивном дистанционном зондировании ( радиометрии ). Радиометр MIRAS (микроволновый радиометр с синтезом апертуры) на борту спутника SMOS позволяет измерять влажность почвы и соленость поверхности Мирового океана в L-диапазоне в соответствии с этим принципом.

Презентация

Теория

Интерферометр Майкельсона состоит из двух зеркал M1 и M2 и полуотражающей пластины, называемой разделителем . Эти три элемента ориентируются, и M2 можно перемещать путем перемещения (для регулировки расстояния, отмеченного d на диаграмме).

На противоположной диаграмме, которая моделирует элемент Майкельсона, используемый в качестве воздушного зазора, источник света посылает луч (с интенсивностью I) в сторону лезвия сепаратора. Этот луч делится на два луча (синий и зеленый) с интенсивностью I / 2. M1 ‘представляет собой изображение зеркала M1 разделителем, поэтому симметрично относительно последнего; синяя пунктирная линия, таким образом, представляет виртуальный путь, эквивалентный реальному пути света к зеркалу M1. Разница в длине d плеч интерферометра вызывает разность хода между двумя лучами, равную 2d.

В конфигурации воздушного ножа, если наклон радиуса по отношению к нормали лезвия (здесь 45 °) равен i , разность хода равна (в данном случае ).
2dпотому что⁡я{\ displaystyle 2d \ cos i}d2{\ displaystyle d {\ sqrt {2}}}

На практике

Вид сверху на интерферометр Майкельсона

На практике лопасть сепаратора имеет определенную толщину. А полуотражающее лицо — это сторона входной стороны света. В то время как зеленый луч проходит через него только один раз, синий луч проходит через него трижды. Это пересечение вызывает дополнительную разницу в пути.

Чтобы исправить это, мы размещаем на пути пурпурного и зеленого лучей (то есть немного выше и слева от разделителя) так называемую компенсирующую пластину, которая должна иметь тот же показатель преломления и такую ​​же толщину, что и разделитель, идеально параллельный ему.

Таким образом, зеленый и синий лучи трижды (или четыре раза, если исходный луч пересекает компенсатор) пересекут пластину той же толщины и того же показателя преломления. Следовательно, никакой дополнительной разницы не возникает.

Схема интерферометра Майкельсона в белом свете.

Основные принципы

Интерферометрия использует принцип суперпозиции для объединения волн, так что результат их объединения имеет важное свойство, которое является диагностикой исходного состояния волн. Это работает, потому что, когда две волны одной и той же частоты объединяются, результирующая картина интенсивности определяется разностью фаз между двумя волнами : синфазные волны испытывают конструктивную интерференцию, а противофазные волны испытывают деструктивную интерференцию

Эти волны , которые не являются полностью в фазе или полностью вне фазы имеет промежуточный образец интенсивности, которая может быть использована для определения относительной разности фаз. Большинство интерферометров используют свет или другую форму электромагнитной волны .

Как правило, один входящий пучок из когерентного света будет разделен на два идентичных пучков с помощью пучка сплиттер (частично отражающее зеркало ). Каждый из этих лучей движется по другому маршруту, называемому путем, и они рекомбинируют перед тем, как попасть на детектор . Разность хода, разница в расстоянии, пройденном каждым лучом, создает между ними разность фаз . Именно эта внесенная разность фаз создает интерференционную картину между изначально идентичными волнами . Если один луч был разделен по двум путям, то разность фаз — это диагностика всего, что изменяет фазу по траекториям. Это может быть физическое изменение длины самого пути или изменение показателя преломления вдоль пути.

Интерферометрия на сайте Very Large Array (Нью-Мексико).

Заметки [ править ]

1. ^ Майкельсон (1881) писал: «… когда они имели подходящую ширину и максимальную резкость, натриевое пламя убирали и снова заменяли лампу. Затем винт m медленно поворачивался до тех пор, пока полосы они снова появились. Тогда они, конечно, были цветными, за исключением центральной полосы, которая была почти черной ».
2. ^ Шенкленд (1964) писал об эксперименте 1881 года, стр. 20: « Интерференционные полосы были обнаружены сначала с использованием натриевого источника света, а после регулировки для максимальной видимости источник был изменен на белый свет, а затем обнаружены цветные полосы. Полосы белого света использовались для облегчения наблюдения за изменениями положения картина интерференции ». А относительно эксперимента 1887 г., стр. 31: « С этим новым интерферометром величина ожидаемого сдвига интерференционной картины белого света составляла 0,4 полосы при повороте прибора на угол 90 ° в горизонтальной плоскости (соответствующий сдвиг в интерферометре Потсдама. было 0,04 балла.) »

Примеры приложений

Интерферометрия используется в астрономии как с оптическими телескопами, так и с радиотелескопами . Его преимущество состоит в том, что он обеспечивает разрешение, эквивалентное разрешению зеркала (или радиотелескопа) с диаметром, эквивалентным расстоянию между комбинированными инструментами. Контраст интерференционных полос затем позволяет получить информацию о размере наблюдаемого объекта или на угловое разделение между двумя объектами (наблюдаемых например, звезда — системы планеты ). Этот метод был впервые описан Ипполитом Физо около 1850 года, затем реализован Альбертом Михельсоном и Фрэнсисом Пизом в 1920 году, а затем был разработан Антуаном Лабейри в 1970-х годах .

Интерферометры обычно используются в исследованиях во многих других областях физики. Так , например, интерферометры Майкельсона позволило осуществить Майкельсона и Морли интерферометрии эксперимент , который показал , что скорость света является изотропным в любой инерциальной системе отсчета и сделал эфир гипотезы бесполезно . Его также используют попытки обнаружить гравитационные волны (например, проект ДЕВА ).

Измерения с помощью интерферометров часто зависят от длины волны . Поэтому он используется в спектрометрии для определения светового спектра различных источников света.

Интерферометрия также используется для оценки качества оптики. Фактически, в некоторых приложениях используемая оптика не должна иметь «дефектов» (то есть царапин, неровностей и т. Д.). Таким образом, получая интерференционную картину, можно обнаружить дефекты линзы и исправить их.

Интерферометры используются при обучении в области оптики .

Также интерферометрия применяется в области подводной акустики: есть гидролокаторы, использующие интерферометрию.

Некоторые интерферометры

Интерферометры с разделением волнового фронта

Мы говорим об интерферометре с разделением волнового фронта, когда волны, мешающие друг другу, приходят из разных точек волны.

Самый простой способ добиться интерференции — использовать прорези Юнга, которые представляют собой просто две прорези, расположенные рядом. Они позволяют разделить световой луч на две части, чтобы затем заставить их интерферировать (пример полученного изображения приведен напротив). Другие устройства, такие как зеркала Френеля или зеркало Ллойда, могут использоваться для создания интерференции путем отражения от единственного точечного источника.

Оптическая сеть состоит из ряда прорезей или отражателей. Следовательно, это в некотором смысле обобщение щелей Юнга, потому что луч света делится на множество частей, которые мешают друг другу. Однако редко считается, что он представляет собой интерферометр сам по себе, но его можно использовать в таких устройствах, как гониометр .

Интерферометры с делением амплитуды

Интерференционная фигура, полученная с помощью интерферометра Фабри-Перо.

Мы говорим об интерферометре с делением амплитуды, когда интерферирующие друг с другом волны возникают в результате разделения на несколько лучей амплитуды волны по всей ее поверхности. Эти интерферометры часто бывают лучшего качества и поэтому используются для прецизионных оптических измерений.

Принцип интерферометра Майкельсона состоит в том, чтобы разделить падающий световой луч на два, затем сдвинуть фазу одного луча относительно другого и, наконец, заставить их интерферировать: речь идет о двухволновой интерференции.

Маха-Цандера интерферометр и Саньяка интерферометр работают по тому же принципу, что и предыдущий, но их дизайн отличается.

В Физо интерферометр мешает отражений двух оптических поверхностей расположены напротив друг друга, для того, например , чтобы контролировать их качество.

Интерферометр Фабри-Перо состоит из двух пластин с параллельными гранями , между которыми свет делает круглые поездки, а также мелких фракций , которые выходят из него на каждом туда и обратно мешают друг другу: это мульти-интерференции волн..

Другой многоволновой интерферометр — это интерферометр Gires-Tournois , состоящий из одной лопасти с особенно отражающими параллельными поверхностями, одна из которых обработана так, что она почти идеальна. Луч света, приходящий от лица, противоположного последней, далее разделяется посредством преломлений и последовательных отражений на набор волн, интерференцию которых можно наблюдать на освещенной стороне.

Призмы Уолластон может быть использована для выполнения интерферометрии.