Interferometri - Interferometry
Interferometri er en teknikk der bølger legges over hverandre for å forårsake fenomenet interferens , som brukes til å trekke ut informasjon. Interferometri typisk benytter elektromagnetiske bølger , og er en viktig undersøkende teknikk innen astronomi , fiberoptikk , teknikk metrologi , optisk måleteknikk, havforskning , seismologi , spektroskopi (og dets anvendelser til kjemi ), kvantemekanikk , kjernefysiske og partikkel fysikk , plasma fysikk , fjernmåling , biomolekylære interaksjoner , overflateprofilering, mikrofluidikk , mekanisk belastning/belastningsmåling, velocimetri , optometri og fremstilling av hologrammer .
Interferometre er enheter som trekker ut informasjon fra interferens. De er mye brukt i vitenskap og industri for måling av mikroskopiske forskyvninger, endringer i brytningsindeks og uregelmessigheter i overflaten. I tilfellet med de fleste interferometre er lys fra en enkelt kilde delt i to stråler som beveger seg i forskjellige optiske baner , som deretter kombineres igjen for å produsere interferens; To usammenhengende kilder kan imidlertid også få til å forstyrre under noen omstendigheter. De resulterende interferensrandene gir informasjon om forskjellen i optiske banelengder . I analytisk vitenskap brukes interferometre til å måle lengder og formen på optiske komponenter med nanometer presisjon; de er de høyeste presisjons lengdemåleinstrumentene som finnes. I Fourier transform -spektroskopi brukes de til å analysere lys som inneholder trekk ved absorpsjon eller utslipp forbundet med et stoff eller en blanding. Et astronomisk interferometer består av to eller flere separate teleskoper som kombinerer signalene sine, og tilbyr en oppløsning som tilsvarer et teleskop med diameter som er det største skillet mellom dets individuelle elementer.
Grunnleggende prinsipper
Interferometri bruker prinsippet om superposisjon for å kombinere bølger på en måte som får resultatet av kombinasjonen til å ha en meningsfull egenskap som er diagnostisk for bølgenes opprinnelige tilstand. Dette fungerer fordi når to bølger med samme frekvens kombineres, bestemmes det resulterende intensitetsmønsteret av faseforskjellen mellom de to bølgene - bølger som er i fase vil gjennomgå konstruktiv interferens, mens bølger som er ute av fase vil gjennomgå destruktiv interferens. Bølger som ikke er helt i fase eller helt ute av fase, vil ha et mellomliggende intensitetsmønster, som kan brukes til å bestemme deres relative faseforskjell. De fleste interferometre bruker lys eller annen form for elektromagnetisk bølge .
Vanligvis (se fig. 1, den velkjente Michelson-konfigurasjonen) vil en enkelt innkommende stråle av sammenhengende lys bli delt i to identiske stråler av en strålesplitter (et delvis reflekterende speil). Hver av disse bjelkene reiser en annen rute, kalt en bane, og de blir rekombinert før de kommer til en detektor. Baneforskjellen, forskjellen i avstanden som tilbys av hver stråle, skaper en faseforskjell mellom dem. Det er denne innførte faseforskjellen som skaper interferensmønsteret mellom de opprinnelig identiske bølgene. Hvis en enkelt stråle har blitt delt langs to veier, er faseforskjellen diagnostisk for alt som endrer fasen langs stiene. Dette kan være en fysisk endring i selve banelengden eller en endring i brytningsindeksen langs banen.
Som det fremgår av fig. 2a og 2b, har observatøren en direkte visning av speilet M 1 sett gjennom stråledeleren, og ser et reflektert bilde M ' 2 av speilet M 2 . Frynsene kan tolkes som et resultat av interferens mellom lys som reflekteres fra de to virtuelle bilder S ' 1 og S ' 2 av den opprinnelige kilden S . Egenskapene til interferensmønsteret avhenger av lyskildens beskaffenhet og den nøyaktige orienteringen til speilene og strålesplitteren. I figur 2a er de optiske elementene orientert slik at S ' 1 og S ' 2 er på linje med observatøren, og det resulterende interferensmønsteret består av sirkler sentrert på normalen til M 1 og M ' 2 . Hvis, som i figur 2b, M 1 og M ′ 2 er vippet i forhold til hverandre, vil interferensrandene generelt ha formen av kjeglesnitt (hyperboler), men hvis M ′ 1 og M ′ 2 overlapper hverandre, vil utkantene nær aksen vil være rett, parallelt og like langt. Hvis S er en utvidet kilde i stedet for en punktkilde som vist, må utkantene på fig. 2a observeres med et teleskop innstilt i det uendelige, mens utkantene på figur 2b vil være lokalisert på speilene.
Bruk av hvitt lys vil resultere i et mønster av fargede utkant (se fig. 3). Den sentrale utkant som representerer like banelengde kan være lys eller mørk avhengig av antall faseinversjoner som de to bjelkene opplever når de krysser det optiske systemet. (Se Michelson interferometer for en diskusjon om dette.)
Kategorier
Interferometre og interferometriske teknikker kan kategoriseres etter en rekke kriterier:
Homodyne versus heterodyne deteksjon
Ved homodynedeteksjon skjer interferensen mellom to stråler med samme bølgelengde (eller bærefrekvens ). Faseforskjellen mellom de to strålene resulterer i en endring i intensiteten til lyset på detektoren. Den resulterende intensiteten til lyset etter blanding av disse to strålene måles, eller mønsteret av interferensfrynser ses eller registreres. De fleste interferometre som er omtalt i denne artikkelen, faller inn under denne kategorien.
Den heterodyne teknikken brukes for (1) å skifte et inngangssignal i en ny frekvensområde, så vel som (2) amplifisering av et svakt inngangssignal (forutsatt bruk av en aktiv blander ). Et svakt inngangssignal med frekvens f 1 er blandet med en sterk referansefrekvens f 2 fra en lokal oscillator (LO). Den ikke -lineære kombinasjonen av inngangssignalene skaper to nye signaler, ett med summen f 1 + f 2 av de to frekvensene, og den andre med differansen f 1 - f 2 . Disse nye frekvensene kalles heterodyner . Vanligvis er bare en av de nye frekvensene ønsket, og det andre signalet filtreres ut av mikserens utgang. Utgangssignalet vil ha en intensitet som er proporsjonal med produktet av amplituder til inngangssignalene.
Den viktigste og mest brukte anvendelsen av heterodyne -teknikken er i superheterodyne -mottakeren (superhet), oppfunnet av den amerikanske ingeniøren Edwin Howard Armstrong i 1918. I denne kretsen blandes det innkommende radiofrekvenssignalet fra antennen med et signal fra en lokal oscillator (LO) og konvertert av heterodyne -teknikken til et lavere fast frekvenssignal kalt mellomfrekvensen (IF). Denne IF forsterkes og filtreres før den påføres en detektor som trekker ut lydsignalet som sendes til høyttaleren.
- Optisk heterodynedeteksjon er en forlengelse av heterodynteknikken til høyere (synlige) frekvenser.
Selv om optisk heterodyne interferometri vanligvis utføres på et enkelt punkt, er det også mulig å utføre dette vidfeltet.
Dobbel sti kontra felles sti
Et interferometer med dobbel bane er en der referansestrålen og prøvestrålen beveger seg langs divergerende baner. Eksempler inkluderer Michelson interferometer , Twyman - Green interferometer og Mach - Zehnder interferometer . Etter å ha blitt forstyrret av interaksjon med prøven som testes, blir prøvestrålen rekombinert med referansestrålen for å lage et interferensmønster som deretter kan tolkes.
Et vanlig sti-interferometer er en klasse av interferometer der referansestrålen og prøvestrålen beveger seg langs samme bane. Fig. 4 illustrerer Sagnac -interferometeret , det fiberoptiske gyroskopet , punktdiffraksjonsinterferometeret og det laterale skjæreinterferometeret . Andre eksempler på vanlig sti-interferometer inkluderer Zernike fasekontrastmikroskop , Fresnels biprisme , nullområdet Sagnac og spredningsinterferometeret .
Wavefront splitting versus amplitude splitting
Inferometre ved deling av bølgefront
Et bølgefront -splittende interferometer deler en lysbølgefront som kommer fra et punkt eller en smal spalte ( dvs. romlig koherent lys), og etter at de to delene av bølgefronten kan bevege seg gjennom forskjellige baner, lar de rekombinere. Fig. 5 illustrerer Youngs interferenseksperiment og Lloyds speil . Andre eksempler på bølgefront-delingsinterferometer inkluderer Fresnel-biprismen, Billet Bi-Lens og Rayleigh-interferometeret .
I 1803 spilte Youngs interferenseksperiment en stor rolle i den generelle aksept av bølgeteorien om lys. Hvis det brukes hvitt lys i Youngs eksperiment, er resultatet et hvitt, sentralt bånd med konstruktiv interferens som tilsvarer lik sti -lengde fra de to spaltene, omgitt av et symmetrisk mønster av fargede utkant med avtagende intensitet. I tillegg til kontinuerlig elektromagnetisk stråling, har Youngs eksperiment blitt utført med individuelle fotoner, med elektroner og med buckyballmolekyler som er store nok til å bli sett under et elektronmikroskop .
Lloyds speil genererer forstyrrelser ved å kombinere direkte lys fra en kilde (blå linjer) og lys fra kildens reflekterte bilde (røde linjer) fra et speil som holdes ved beiteinnfall. Resultatet er et asymmetrisk mønster av utkant. Båndet med samme banelengde, nærmest speilet, er mørkt i stedet for lyst. I 1834 tolket Humphrey Lloyd denne effekten som et bevis på at fasen til en reflektert stråle på forsiden er invertert.
Amplitude-delende inferometre
Et amplitude -splittende interferometer bruker en delvis reflektor for å dele amplituden til den innfallende bølgen i separate stråler som er atskilt og rekombinert.
Den Fizeau interferometer er vist som det kan være satt opp for å teste en optisk flat . En nøyaktig beregnet referanseflate er plassert på toppen av leiligheten som skal testes, adskilt av smale avstandsstykker. Referanseflaten er litt avfaset (bare en brøkdel av en fasingsgrad er nødvendig) for å forhindre at flatens bakside overflate produserer forstyrrelser. Ved å skille test- og referanseleilighetene kan de to leilighetene vippes i forhold til hverandre. Ved å justere vippingen, noe som legger til en kontrollert fasegradient i utkantmønsteret, kan man kontrollere avstanden og retningen til utkantene, slik at man kan oppnå en lett tolket serie med nesten parallelle utkant i stedet for en kompleks virvel av konturlinjer. Å skille platene krever imidlertid at det lysende lyset kollimeres. Fig. 6 viser en kollimert stråle av monokromatisk lys som belyser de to leilighetene og en stråledeler som gjør at kantene kan ses på aksen.
Den Mach-Zehnder interferometer er et mer allsidig instrument enn Michelson interferometer. Hver av de godt adskilte lysbanene krysses bare én gang, og utkantene kan justeres slik at de er lokalisert i et ønsket plan. Vanligvis vil utkantene justeres til å ligge i samme plan som testobjektet, slik at utkantene og testobjektet kan fotograferes sammen. Hvis det er besluttet å produsere utkant i hvitt lys, siden hvitt lys har en begrenset kohærenslengde , i størrelsesorden mikrometer , må det utvises stor forsiktighet for å utjevne de optiske banene, ellers vil ingen utkant være synlige. Som illustrert i figur 6, ville en kompenserende celle bli plassert i banen til referansestrålen for å matche testcellen. Legg også merke til den nøyaktige retningen til strålesplitterne. De reflekterende overflatene på strålesplitterne ville være orientert slik at test- og referansebjelkene passerer gjennom like mye glass. I denne orienteringen opplever test- og referansebjelkene hver to refleksjoner på forsiden, noe som resulterer i samme antall faseinversjoner. Resultatet er at lys som beveger seg med samme optiske banelengde i test- og referansestrålene, produserer et hvitt lys med konstruktiv interferens.
Hjertet til Fabry – Pérot interferometer er et par optiske leiligheter med delvis forsølvede glass med flere millimeter til centimeter mellomrom med de forsølvede overflatene mot hverandre. (Alternativt bruker en Fabry – Pérot etalon en gjennomsiktig plate med to parallelle reflekterende overflater.) Som med Fizeau interferometer er leilighetene litt avfasede. I et typisk system er belysning levert av en diffus kilde som er satt i fokusplanet til en kollimerende linse. Et fokuseringsobjektiv produserer det som ville være et invertert bilde av kilden hvis de sammenkoblede leilighetene ikke var tilstede; dvs. i fravær av de sammenkoblede leilighetene, vil alt lys som sendes ut fra punkt A som passerer gjennom det optiske systemet være fokusert på punkt A '. I fig. 6 spores bare én stråle fra punkt A på kilden. Når strålen passerer gjennom de sammenkoblede leilighetene, reflekteres den flere ganger for å produsere flere overførte stråler som samles opp av fokuseringslinsen og bringes til punkt A 'på skjermen. Det komplette interferensmønsteret ser ut som et sett med konsentriske ringer. Ringenes skarphet avhenger av leilighetenes reflektivitet. Hvis refleksjonsevnen er høy, noe som resulterer i en høy Q -faktor ( dvs. høy finesse), produserer monokromatisk lys et sett med smale, lyse ringer mot en mørk bakgrunn. I figur 6 tilsvarer bildet med lav finesse en reflektivitet på 0,04 ( dvs. usølvede overflater) mot en reflektivitet på 0,95 for bildet med høy finhet .
Fig. 6 viser interferometerene Fizeau, Mach - Zehnder og Fabry – Pérot. Andre eksempler på amplitude -splittende interferometer inkluderer Michelson , Twyman - Green , Laser Unequal Path og Linnik interferometer .
Michelson-Morley
Michelson og Morley (1887) og andre tidlige eksperimentister som brukte interferometriske teknikker i et forsøk på å måle egenskapene til den lysende eteren , brukte monokromatisk lys bare for å sette opp utstyret sitt, og byttet alltid til hvitt lys for de faktiske målingene. Årsaken er at målinger ble registrert visuelt. Monokromatisk lys vil resultere i et jevnt utkantmønster. Uten moderne metoder for miljøtemperaturkontroll , slet eksperimentister med kontinuerlig frynsdrift, selv om interferometeret kan settes opp i en kjeller. Siden utkantene av og til ville forsvinne på grunn av vibrasjoner ved forbipasserende hestetrafikk, fjerne tordenvær og lignende, ville det være lett for en observatør å "gå seg vill" når utkantene kom tilbake til synligheten. Fordelene med hvitt lys, som ga et karakteristisk farget frynsemønster, oppveide langt vanskelighetene med å justere apparatet på grunn av den lave koherenslengden . Dette var et tidlig eksempel på bruk av hvitt lys for å løse "2 pi -tvetydigheten".
applikasjoner
Fysikk og astronomi
I fysikken var et av de viktigste eksperimentene på slutten av 1800 -tallet det berømte "mislykkede eksperimentet" fra Michelson og Morley som ga bevis for spesiell relativitet . Nylige gjentakelser av Michelson - Morley -eksperimentet utfører heterodyne -målinger av taktfrekvenser for kryssede kryogene optiske resonatorer . Fig. 7 illustrerer et resonatoreksperiment utført av Müller et al. i 2003. To optiske resonatorer konstruert av krystallinsk safir, som styrer frekvensene til to lasere, ble satt i rette vinkler i en heliumkryostat. En frekvenskomparator målte slagfrekvensen til de kombinerte utgangene til de to resonatorene. Fra og med 2009 er presisjonen der anisotropi av lysets hastighet kan utelukkes i resonatorforsøk på nivået 10-17 .
 Figur 7. Michelson – Morley eksperimenterer med kryogene optiske resonatorer |
 Figur 8. Fourier transform spektroskopi |
Figur 9. Et bilde av solcorona tatt med LASCO C1 coronagraph |
Michelson interferometre brukes i avstembare smalbånds optiske filtre og som kjernemaskinvarekomponenten til Fourier transformspektrometre .
Når det brukes som et avstembart smalbåndsfilter, viser Michelson interferometre en rekke fordeler og ulemper sammenlignet med konkurrerende teknologier som Fabry – Pérot interferometre eller Lyot filtre . Michelson interferometre har det største synsfeltet for en spesifisert bølgelengde, og er relativt enkle i drift, siden tuning er via mekanisk rotasjon av bølgeplater i stedet for via høyspenningskontroll av piezoelektriske krystaller eller litiumniobat optiske modulatorer som brukt i et Fabry -Pérot system . Sammenlignet med Lyot -filtre, som bruker dobbeltbrytende elementer, har Michelson interferometre en relativt lav temperaturfølsomhet. På den negative siden har Michelson interferometre et relativt begrenset bølgelengdeområde og krever bruk av forfilter som begrenser transmittans.
Fig. 8 illustrerer driften av et Fourier -transformasjonsspektrometer, som i hovedsak er et Michelson -interferometer med ett speil bevegelig. (Et praktisk Fourier -transformasjonsspektrometer ville erstatte hjørnekubereflektorer for de flate speilene til det konvensjonelle Michelson -interferometeret, men for enkelhetens skyld viser illustrasjonen ikke dette.) Et interferogram genereres ved å måle signalet på mange diskrete posisjoner i bevegelsen speil. En Fouriertransform konverterer interferogrammet til et faktisk spekter.
Fig. 9 viser et dopplerbilde av solcoronaen laget ved hjelp av et avstembart Fabry-Pérot interferometer for å gjenopprette skanning av solcoronaen ved et antall bølgelengder nær den grønne FeXIV-linjen. Bildet er et fargekodet bilde av linjens dopplerforskyvning, som kan være forbundet med koronaplasmahastigheten mot eller bort fra satellittkameraet.
Fabry – Pérot tynnfilm etaloner brukes i smale båndpassfiltre som er i stand til å velge en enkelt spektral linje for avbildning; for eksempel H-alfa- linjen eller Ca-K- linjen til solen eller stjernene. Fig. 10 viser et ekstremt ultrafiolett imaging teleskop (EIT) -bilde av solen ved 195 Ångströms (19,5 nm), som tilsvarer en spektral linje av flerioniserte jernatomer. EIT brukte flerlagsbelagte reflekterende speil som var belagt med alternative lag av et lett "spacer" -element (for eksempel silisium), og et tungt "scatterer" -element (for eksempel molybden). Omtrent 100 lag av hver type ble plassert på hvert speil, med en tykkelse på rundt 10 nm hver. Lagtykkelsene ble tett kontrollert slik at reflekterte fotoner fra hvert lag forstyrret konstruktivt ved ønsket bølgelengde.
Den laser interferometer Gravitasjons-Wave Observatory (LIGO) benytter to 4-km Michelson-Fabry-Perot-interferometeret for påvisning av gravitasjonsbølger . I denne applikasjonen brukes hulrommet Fabry – Pérot til å lagre fotoner i nesten et millisekund mens de spretter opp og ned mellom speilene. Dette øker tiden en gravitasjonsbølge kan samhandle med lyset, noe som resulterer i en bedre følsomhet ved lave frekvenser. Mindre hulrom, vanligvis kalt modusrensere, brukes til romlig filtrering og frekvensstabilisering av hovedlaseren. Den første observasjonen av gravitasjonsbølger skjedde 14. september 2015.
Mach - Zehnder -interferometerets relativt store og fritt tilgjengelige arbeidsrom, og fleksibiliteten i å finne utkantene, har gjort det til et valg av interferometer for visualisering av flyt i vindtunneler og for studier av strømningsvisualisering generelt. Det brukes ofte innen aerodynamikk, plasmafysikk og varmeoverføring for å måle trykk, tetthet og temperaturendringer i gasser.
Mach - Zehnder interferometre brukes også til å studere en av de mest kontraintuitive spådommene om kvantemekanikk, fenomenet kjent som kvanteforvikling .
Et astronomisk interferometer oppnår høyoppløselige observasjoner ved hjelp av teknikken for blenderåpningssyntese , og blander signaler fra en klynge av relativt små teleskoper i stedet for et veldig dyrt monolitisk teleskop.
Tidlige radioteleskopinterferometre brukte en enkelt grunnlinje for måling. Senere brukte astronomiske interferometre, for eksempel Very Large Array som er illustrert i fig. 11, matriser med teleskoper arrangert i et mønster på bakken. Et begrenset antall grunnlinjer vil resultere i utilstrekkelig dekning. Dette ble lettet ved å bruke jordens rotasjon til å rotere gruppen i forhold til himmelen. Dermed kan en enkelt grunnlinje måle informasjon i flere retninger ved å ta gjentatte målinger, en teknikk som kalles jordrotasjonssyntese . Grunnlinjer tusenvis av kilometer lange ble oppnådd ved bruk av veldig lang grunnlinjeinterferometri .
Astronomisk optisk interferometri har måttet overvinne en rekke tekniske problemer som ikke deles av radioteleskopinterferometri. De korte lysbølgelengdene krever ekstrem presisjon og stabilitet i konstruksjonen. For eksempel krever romlig oppløsning på 1 milliarsekund 0,5 µm stabilitet i en 100 m grunnlinje. Optiske interferometriske målinger krever detektorer med høy følsomhet og lav støy som ikke ble tilgjengelige før slutten av 1990 -tallet. Astronomisk "se" , turbulensen som får stjernene til å glitre, introduserer raske, tilfeldige faseendringer i det innkommende lyset, noe som krever at kilohertz datainnsamlingshastigheter er raskere enn turbulenshastigheten. Til tross for disse tekniske vanskelighetene er tre store anlegg nå i drift som tilbyr oppløsninger ned til brøkdelen milliarsekunder. Denne sammenkoblede videoen viser en film satt sammen av blenderåpningssyntesebilder av Beta Lyrae- systemet, et binært stjernesystem omtrent 960 lysår (290 parsek) unna i stjernebildet Lyra, som observert av CHARA-arrayet med MIRC-instrumentet. Den lysere komponenten er hovedstjernen, eller massegiveren. Den svakere komponenten er den tykke skiven som omgir den sekundære stjernen, eller masseforsterkeren. De to komponentene er atskilt med 1 milli-buesekund. Tidevannsforvrengninger av massegiveren og masseforsterkeren er begge godt synlige.
Den bølgen karakter av materie kan utnyttes til å bygge interferometerene. De første eksemplene på materieinterferometre var elektroninterferometre , senere fulgt av nøytroninterferometre . Rundt 1990 ble de første atominterferometerne demonstrert, senere fulgt av interferometre som brukte molekyler.
Elektronholografi er en avbildningsteknikk som fotografisk registrerer elektroninterferensmønsteret til et objekt, som deretter rekonstrueres for å gi et sterkt forstørret bilde av det opprinnelige objektet. Denne teknikken ble utviklet for å muliggjøre større oppløsning i elektronmikroskopi enn det er mulig ved bruk av konvensjonelle bildeteknikker. Oppløsningen til konvensjonell elektronmikroskopi er ikke begrenset av elektronbølgelengde, men av de store avvikene til elektronlinser.
Nøytroninterferometri har blitt brukt til å undersøke Aharonov - Bohm -effekten , for å undersøke virkningene av tyngdekraften som virker på en elementær partikkel, og for å demonstrere en merkelig oppførsel av fermioner som er grunnlaget for Pauli -ekskluderingsprinsippet : I motsetning til makroskopiske objekter, når fermioner roteres 360 ° rundt en hvilken som helst akse, går de ikke tilbake til sin opprinnelige tilstand, men utvikler et minustegn i bølgefunksjonen. Med andre ord må en fermion roteres 720 ° før den går tilbake til sin opprinnelige tilstand.
Atominterferometri-teknikker når tilstrekkelig presisjon for å tillate laboratorietester av generell relativitetstest .
Interferometre brukes i atmosfærisk fysikk for høypresisjonsmålinger av sporgasser via ekstern lyd fra atmosfæren. Det er flere eksempler på interferometre som benytter enten absorpsjons- eller utslippsegenskaper for sporgasser. En typisk bruk vil være kontinuerlig overvåking av kolonnekonsentrasjonen av sporgasser som ozon og karbonmonoksid over instrumentet.
Engineering og anvendt vitenskap
Newton (testplate) interferometri brukes ofte i den optiske industrien for å teste kvaliteten på overflater når de blir formet og figurert. Fig. 13 viser bilder av referanseleiligheter som brukes til å kontrollere to testleiligheter i forskjellige ferdigstillingsstadier, og viser de forskjellige mønstrene for interferensrandene. Referanseleilighetene hviler med bunnflatene i kontakt med testleilighetene, og de belyses av en monokromatisk lyskilde. Lysbølgene som reflekteres fra begge overflatene forstyrrer, noe som resulterer i et mønster av lyse og mørke bånd. Overflaten i bildet til venstre er nesten flat, angitt med et mønster av rette parallelle interferenskanter i like store intervaller. Overflaten i det høyre bildet er ujevn, noe som resulterer i et mønster av buede utkant. Hvert par tilstøtende utkant representerer en forskjell i overflatehøyde på en halv bølgelengde av lyset som brukes, så høydeforskjeller kan måles ved å telle utkantene. Overflatenes flathet kan måles til milliontedeler av en tomme ved denne metoden. For å avgjøre om overflaten som testes er konkav eller konveks i forhold til den optiske referanseflaten, kan en av flere prosedyrer brukes. Man kan observere hvordan utkantene forskyves når man trykker forsiktig på den øverste flaten. Hvis man observerer utkantene i hvitt lys, blir fargesekvensen kjent med erfaring og hjelpemidler ved tolkning. Til slutt kan man sammenligne utseendet på utkantene når man flytter hodet fra en normal til en skrå visningsposisjon. Slike manøvrer, mens de er vanlige i den optiske butikken, er ikke egnet i et formelt testmiljø. Når leilighetene er klare for salg, vil de vanligvis bli montert i et Fizeau interferometer for formell testing og sertifisering.
Fabry-Pérot etaloner er mye brukt i telekommunikasjon , lasere og spektroskopi for å kontrollere og måle lysets bølgelengder. Dikroiske filtre er etaloner med flere lag tynnfilm . I telekommunikasjon er bølgelengde-divisjonsmultipleksering , teknologien som muliggjør bruk av flere bølgelengder av lys gjennom en enkelt optisk fiber, avhengig av filtreringsenheter som er tynnfilm etaloner. Enmodelllasere bruker etaloner for å undertrykke alle optiske hulromsmoduser bortsett fra den ene av interesse.
Twyman - Green interferometeret, oppfunnet av Twyman og Green i 1916, er en variant av Michelson interferometer som er mye brukt for å teste optiske komponenter. De grunnleggende egenskapene som skiller den fra Michelson -konfigurasjonen er bruken av en monokromatisk punktlyskilde og en kollimator. Michelson (1918) kritiserte Twyman - Green -konfigurasjonen som uegnet for testing av store optiske komponenter, siden lyskildene som var tilgjengelige på den tiden hadde begrenset koherenslengde . Michelson påpekte at begrensninger på geometri tvunget av begrenset koherenslengde krevde bruk av et referansespeil av samme størrelse som testspeilet, noe som gjorde Twyman - Green upraktisk for mange formål. Flere tiår senere svarte fremkomsten av laserlyskilder til Michelsons innvendinger. (Et Twyman - grønt interferometer som bruker en laserlyskilde og ulik banelengde er kjent som et Laser Unequal Path Interferometer, eller LUPI.) Fig. 14 illustrerer et Twyman - grønt interferometer satt opp for å teste et objektiv. Lys fra en monokromatisk punktkilde utvides med en divergerende linse (ikke vist), og kollimeres deretter til en parallell stråle. Et konveks sfærisk speil er plassert slik at dets krumningssenter faller sammen med fokuset på linsen som testes. Den fremvoksende strålen registreres av et avbildningssystem for analyse.
Mach - Zehnder interferometre brukes i integrerte optiske kretser , der lys forstyrrer mellom to grener av en bølgeleder som er eksternt modulert for å variere den relative fasen. En liten helling av en av strålesplitterne vil resultere i en baneforskjell og en endring i forstyrrelsesmønsteret. Mach - Zehnder -interferometre er grunnlaget for en lang rekke enheter, fra RF -modulatorer til sensorer til optiske brytere .
De siste foreslåtte ekstremt store astronomiske teleskopene , for eksempel Thirty Meter Telescope og Extremely Large Telescope , vil ha segmentert design. Deres primære speil vil bli bygget av hundrevis av sekskantede speilsegmenter. Å polere og finne disse svært asfæriske og ikke-rotasjonssymmetriske speilsegmentene gir en stor utfordring. Tradisjonelle metoder for optisk testing sammenligner en overflate mot en sfærisk referanse ved hjelp av en nullkorrektor . I de siste årene har datagenererte hologrammer (CGH) begynt å supplere nullkorrektorer i testoppsett for komplekse asfæriske overflater. Fig. 15 illustrerer hvordan dette gjøres. I motsetning til figuren har faktiske CGHer linjeavstand i størrelsesorden 1 til 10 um. Når laserlys passeres gjennom CGH, opplever nullordens diffrakterte stråle ingen modifikasjon av bølgefront. Bølgefronten til den første ordens diffrakterte stråle er imidlertid modifisert for å matche den ønskede formen på testoverflaten. I det illustrerte Fizeau interferometer-testoppsettet er nullordens diffrakterte stråle rettet mot den sfæriske referanseoverflaten, og den første ordens diffrakterte strålen er rettet mot testoverflaten på en slik måte at de to reflekterte bjelkene kombineres for å danne interferenskant. Det samme testoppsettet kan brukes for de innerste speilene som for de ytterste, og bare CGH må byttes.
Ringlasergyroskop (Rlgs) og fiberoptiske gyroskoper (tåke) er interferometre som brukes i navigasjonssystemer. De opererer etter prinsippet om Sagnac -effekten . Skillet mellom RLGs og FOGs er at i en RLG er hele ringen en del av laseren, mens i en FOG injiserer en ekstern laser motforplantningsstråler i en optisk fiberring , og rotasjon av systemet forårsaker deretter et relativt faseskift mellom disse bjelkene. I en RLG er det observerte faseskiftet proporsjonalt med den akkumulerte rotasjonen, mens det i en FOG er det observerte faseskiftet proporsjonalt med vinkelhastigheten.
I telekommunikasjonsnettverk brukes heterodyning for å flytte frekvenser av individuelle signaler til forskjellige kanaler som kan dele en enkelt fysisk overføringslinje. Dette kalles frekvensdelingsmultipleksing (FDM). For eksempel kan en koaksialkabel som brukes av et kabel -TV -system bære 500 TV -kanaler samtidig fordi hver og en får en annen frekvens, slik at de ikke forstyrrer hverandre. Kontinuerlig bølge (CW) doppler radardetektorer er i utgangspunktet heterodyne deteksjonsenheter som sammenligner overførte og reflekterte stråler.
Optisk heterodyne -deteksjon brukes til sammenhengende Doppler -lidarmålinger som er i stand til å oppdage svært svakt lys spredt i atmosfæren og overvåke vindhastigheter med høy nøyaktighet. Den har anvendelse i optisk fiberkommunikasjon , i forskjellige spektroskopiske teknikker med høy oppløsning, og metoden selv-heterodyne kan brukes til å måle linjebredden til en laser.
Optisk heterodyne-deteksjon er en viktig teknikk som brukes i målinger med høy nøyaktighet av frekvensene til optiske kilder, så vel som i stabilisering av frekvensene. Inntil for relativt få år siden var det nødvendig med lange frekvenskjeder for å koble mikrobølgefrekvensen til et cesium eller en annen atomtidskilde til optiske frekvenser. På hvert trinn i kjeden vil en frekvensmultiplikator brukes til å produsere en harmonisk av frekvensen til det trinnet, som vil bli sammenlignet med heterodynedeteksjon med det neste trinnet (utgangen fra en mikrobølge -kilde, langt infrarød laser, infrarød laser, eller synlig laser). Hver måling av en enkelt spektral linje krevde flere års innsats i konstruksjonen av en tilpasset frekvenskjede. For tiden har optiske frekvenskammer gitt en mye enklere metode for måling av optiske frekvenser. Hvis en moduslåst laser moduleres for å danne et pulsspor, ser man at dens spektrum består av bærefrekvensen omgitt av en kam med nært mellomrom av optiske sidebåndfrekvenser med et mellomrom som tilsvarer pulsrepetisjonsfrekvensen (fig. 16). Pulsrepetisjonsfrekvensen er låst til frekvensstandardens , og frekvensene til kamelementene i den røde enden av spekteret dobles og heterodyneres med frekvensene til kamelementene i den blå enden av spekteret, og tillater dermed kammen å tjene som sin egen referanse. På denne måten kan låsing av frekvenskammens utgang til en atomstandard utføres i et enkelt trinn. For å måle en ukjent frekvens, blir frekvenskammens utgang spredt til et spekter. Den ukjente frekvensen overlappes med det passende spektralsegmentet i kammen, og frekvensen av de resulterende heterodyne -slagene måles.
En av de vanligste industrielle applikasjonene for optisk interferometri er som et allsidig måleverktøy for undersøkelse av overflatetopografi med høy presisjon. Populære interferometriske måleteknikker inkluderer Phase Shifting Interferometry (PSI) og Vertical Scanning Interferometry (VSI), også kjent som skanning av hvitt lys interferometri (SWLI) eller ISO -begrepet Coherence Scanning Interferometry (CSI), CSI utnytter sammenheng for å utvide rekkevidden av evner for interferensmikroskopi. Disse teknikkene er mye brukt i mikro-elektronisk og mikro-optisk fabrikasjon. PSI bruker monokromatisk lys og gir svært presise målinger; men den er bare brukbar for overflater som er veldig glatte. CSI bruker ofte hvitt lys og høye numeriske blenderåpninger, og i stedet for å se på fasen av utkantene, gjør PSI, som PSI, den beste posisjonen for maksimal frynsekontrast eller et annet trekk ved det generelle utkantmønsteret. I sin enkleste form gir CSI mindre presise målinger enn PSI, men kan brukes på ru overflater. Noen konfigurasjoner av CSI, kjent som Enhanced VSI (EVSI), høyoppløselig SWLI eller Frequency Domain Analysis (FDA), bruker sammenhengseffekter i kombinasjon med interferensfase for å øke presisjonen.
Phase Shifting Interferometry adresserer flere problemer knyttet til den klassiske analysen av statiske interferogrammer. Klassisk måler man posisjonene til utkantsentrene. Som vist på fig. 13, gir utkantavvik fra retthet og lik avstand et mål på avviket. Feil ved å bestemme plasseringen av utkantssentrene gir den iboende grensen for presisjon i den klassiske analysen, og eventuelle intensitetsvariasjoner over interferogrammet vil også innføre feil. Det er en avveining mellom presisjon og antall datapunkter: frynser med tett mellomrom gir mange datapunkter med lav presisjon, mens utbredte frynser gir et lavt antall datapunkter med høy presisjon. Siden frynsesenterdata er alt man bruker i den klassiske analysen, kastes all annen informasjon som teoretisk kan oppnås ved detaljert analyse av intensitetsvariasjonene i et interferogram. Til slutt, med statiske interferogrammer, er det nødvendig med ytterligere informasjon for å bestemme polariteten til bølgefronten: På figur 13 kan man se at den testede overflaten til høyre avviker fra flathet, men man kan ikke av dette enkeltbildet se om dette avviket fra planhet er konkav eller konveks. Tradisjonelt vil denne informasjonen bli innhentet ved hjelp av ikke-automatiserte midler, for eksempel ved å observere retningen som utkantene beveger seg når referanseoverflaten skyves.
Faseskiftende interferometri overvinner disse begrensningene ved ikke å stole på å finne utkantssentre, men heller ved å samle intensitetsdata fra hvert punkt i CCD -bildesensoren. Som vist på figur 17, blir flere interferogrammer (minst tre) analysert med den optiske referanseoverflaten forskjøvet med en presis brøkdel av en bølgelengde mellom hver eksponering ved bruk av en piezoelektrisk transduser (PZT). Alternativt kan presise faseskift innføres ved å modulere laserfrekvensen. De fangede bildene behandles av en datamaskin for å beregne de optiske bølgefrontfeilene. Presisjonen og reproduserbarheten til PSI er langt større enn mulig i statisk interferogramanalyse, med repeterbarhet av målinger på en hundredel av en bølgelengde som rutine. Faseforskyvningsteknologi er tilpasset en rekke forskjellige interferometertyper som Twyman - Green, Mach - Zehnder, laser Fizeau, og til og med vanlige banekonfigurasjoner som punktdiffraksjon og laterale skjæreinterferometre. Mer generelt kan faseforskyvningsteknikker tilpasses nesten alle systemer som bruker utkant for måling, for eksempel holografisk og flekkinterferometri.
Ved koherensskanningsinterferometri oppnås interferens bare når interferometerets sti -lengdeforsinkelser er tilpasset innenfor lyskildens koherensstid. CSI overvåker utkantskontrasten i stedet for fasen av utkantene. 17 illustrerer et CSI -mikroskop ved bruk av et Mirau -interferometer i målet; andre former for interferometer som brukes med hvitt lys inkluderer Michelson interferometer (for mål med lav forstørrelse, der referansespeilet i et Mirau -objekt vil avbryte for mye av blenderåpningen) og Linnik interferometer (for mål med høy forstørrelse med begrenset arbeidsavstand). Prøven (eller alternativt, objektivet) flyttes vertikalt over hele høydeområdet til prøven, og plasseringen av maksimal kantkontrast finnes for hver piksel. Den største fordelen med koherensskanningsinterferometri er at systemer kan utformes som ikke lider av 2 pi -tvetydigheten ved koherent interferometri, og som vist på figur 18, som skanner et volum på 180μm x 140μm x 10μm, er det godt egnet til profilering trinn og grove overflater. Den aksiale oppløsningen til systemet bestemmes delvis av lyskildens koherenslengde. Industrielle applikasjoner inkluderer overflatemetrologi i prosessen , måling av grovhet, 3D-overflatemetrologi i vanskelig tilgjengelige områder og i fiendtlige miljøer, profilometri av overflater med høye aspektforhold (spor, kanaler, hull) og måling av filmtykkelse (semi- leder og optisk industri, etc.).
Fig. 19 illustrerer et Twyman - Green interferometer som er satt opp for hvitt lysskanning av et makroskopisk objekt.
Holografisk interferometri er en teknikk som bruker holografi for å overvåke små deformasjoner i enkeltbølgelengdeimplementeringer. I implementeringer med flere bølgelengder brukes den til å utføre dimensjonal metrologi for store deler og enheter og for å oppdage større overflatedefekter.
Holografisk interferometri ble oppdaget ved et uhell som et resultat av feil begått under fremstilling av hologrammer. Tidlige lasere var relativt svake og fotografiske plater var ufølsomme, noe som nødvendiggjorde lange eksponeringer der vibrasjoner eller små skift kan forekomme i det optiske systemet. De resulterende hologrammene, som viste det holografiske emnet dekket med utkant, ble ansett som ødelagte.
Etter hvert innså flere uavhengige grupper av eksperimenter på midten av 60-tallet at utkantene kodet for viktig informasjon om dimensjonsendringer som forekommer i emnet, og begynte med vilje å produsere holografiske doble eksponeringer. Den viktigste artikkelen om holografisk interferometri dekker tvister om oppdagelsesprioritet som skjedde under utstedelsen av patentet for denne metoden.
Dobbel- og multieksponeringsholografi er en av tre metoder som brukes til å lage holografiske interferogrammer. En første eksponering registrerer objektet i en ustresset tilstand. Påfølgende eksponeringer på den samme fotografiske platen blir gjort mens objektet utsettes for noe stress. Det sammensatte bildet viser forskjellen mellom de stressede og ustressede tilstandene.
Sanntidsholografi er en andre metode for å lage holografiske interferogrammer. Det opprettes en holograf av objektet som ikke er stresset. Denne holografen er belyst med en referansestråle for å generere et hologrambilde av objektet som er direkte lagt over selve det opprinnelige objektet mens objektet blir utsatt for noe stress. Objektbølgene fra dette hologrambildet vil forstyrre nye bølger som kommer fra objektet. Denne teknikken tillater sanntidsovervåking av formendringer.
Den tredje metoden, tidsgjennomsnittlig holografi, innebærer å lage en holograf mens objektet utsettes for periodisk stress eller vibrasjon. Dette gir et visuelt bilde av vibrasjonsmønsteret.
Figur 20. InSAR Bilde av Kilauea, Hawaii som viser utkant forårsaket av deformasjon av terrenget over en seks måneders periode.
Figur 21. ESPI -utkant som viser en vibrasjonsmodus for en fastspent firkantet plate
Interferometrisk syntetisk blenderradar (InSAR) er en radarteknikk som brukes i geodesi og fjernmåling . Satellittsynthetiske blenderradarbilder av en geografisk funksjon er tatt på separate dager, og endringer som har skjedd mellom radarbilder tatt på de separate dagene blir registrert som utkant som ligner dem som ble oppnådd i holografisk interferometri. Teknikken kan overvåke deformasjon fra centimeter til millimeter i skala som følge av jordskjelv, vulkaner og skred, og har også bruk i konstruksjonsteknikk, spesielt for overvåking av innsynking og strukturell stabilitet. Fig. 20 viser Kilauea, en aktiv vulkan på Hawaii. Data innhentet ved hjelp av romfergen Endeavours X-band Synthetic Aperture Radar 13. april 1994 og 4. oktober 1994 ble brukt til å generere interferometriske utkant, som ble lagt på X-SAR-bildet av Kilauea.
Elektronisk flekkemønsterinterferometri (ESPI), også kjent som TV -holografi, bruker videodeteksjon og opptak for å produsere et bilde av objektet som er lagt over et kantmønster som representerer forskyvningen av objektet mellom opptakene. (se fig. 21) Utkantene ligner de som ble oppnådd i holografisk interferometri.
Da lasere først ble oppfunnet, ble laserflekker ansett for å være en alvorlig ulempe ved bruk av lasere for å belyse objekter, spesielt i holografisk avbildning på grunn av det kornete bildet som ble produsert. Det ble senere innsett at flekkemønstre kunne bære informasjon om objektets overflatedeformasjoner. Butters og Leendertz utviklet teknikken for flekkemønsterinterferometri i 1970, og siden da har flekk blitt utnyttet i en rekke andre applikasjoner. Et fotografi er laget av flekkemønsteret før deformasjon, og et annet fotografi er laget av flekkemønsteret etter deformasjon. Digital subtraksjon av de to bildene resulterer i et korrelasjonsfrynsemønster, der utkantene representerer linjer med lik deformasjon. Korte laserpulser i nanosekundområdet kan brukes til å fange veldig raske forbigående hendelser. Det eksisterer et faseproblem: I mangel av annen informasjon kan man ikke se forskjellen mellom konturlinjer som indikerer en topp versus konturlinjer som indikerer et trau. For å løse problemet med fasetydighet kan ESPI kombineres med faseforskyvningsmetoder.
En metode for å etablere presise geodetiske grunnlinjer, oppfunnet av Yrjö Väisälä , utnyttet den lave koherenslengden til hvitt lys. I utgangspunktet ble det hvite lyset delt i to, med referansestrålen "brettet" og spratt frem og tilbake seks ganger mellom et speilpar med en avstand på 1 m fra hverandre. Bare hvis testbanen var nøyaktig 6 ganger referansebanen, ville utkantene bli sett. Gjentatte anvendelser av denne prosedyren tillot presis måling av avstander opp til 864 meter. Grunnlinjer som ble etablert slik ble brukt til å kalibrere geodetisk avstandsmålerutstyr, noe som førte til en metrologisk sporbar skala for geodetiske nettverk målt av disse instrumentene. (Denne metoden er erstattet av GPS.)
Andre bruksområder for interferometre har vært å studere spredning av materialer, måling av komplekse brytningsindekser og termiske egenskaper. De brukes også til tredimensjonal bevegelseskartlegging, inkludert kartlegging av vibrasjonsmønstre av strukturer.
Biologi og medisin
Optisk interferometri, brukt på biologi og medisin, gir sensitive metrologiske evner for måling av biomolekyler, subcellulære komponenter, celler og vev. Mange former for etikettfrie biosensorer er avhengige av interferometri fordi den direkte interaksjonen mellom elektromagnetiske felt med lokal molekylær polarisering eliminerer behovet for fluorescerende merker eller nanopartikkelmarkører. I større skala deler cellulær interferometri aspekter med fasekontrastmikroskopi, men består av en mye større klasse med fasefølsomme optiske konfigurasjoner som er avhengige av optisk interferens blant cellulære bestanddeler gjennom brytning og diffraksjon. På vevsskalaen gir delvis-koherent fremspredt lysspredning gjennom mikroavvikene og heterogeniteten til vevsstrukturen muligheter til å bruke fasefølsom gating (optisk koherens tomografi) samt fasefølsom fluktuasjonsspektroskopi til bildet subtile strukturelle og dynamiske egenskaper .
 Figur 22. Typisk optisk oppsett av enkeltpunkt OLT |
 Figur 23. Sentral serøs retinopati , avbildet ved bruk av optisk koherensstomografi |
Optisk koherens tomografi (OCT) er en medisinsk avbildningsteknikk som bruker interferometri med lav koherens for å gi tomografisk visualisering av indre vevsmikrostrukturer. Som vist på fig. 22 er kjernen i et typisk OLT -system et Michelson -interferometer. En interferometerarm er fokusert på vevsprøven og skanner prøven i et XY langsgående rastermønster. Den andre interferometerarmen sprettes av et referansespeil. Reflektert lys fra vevsprøven kombineres med reflektert lys fra referansen. På grunn av lyskildens lave sammenheng observeres interferometrisk signal bare over en begrenset dybde av prøven. XY -skanning registrerer derfor ett tynt optisk stykke av prøven om gangen. Ved å utføre flere skanninger, flytte referansespeilet mellom hver skanning, kan et helt tredimensjonalt bilde av vevet rekonstrueres. Nylige fremskritt har bestrebet seg på å kombinere nanometerfaseinnhenting av koherent interferometri med rekkevidden til interferometri med lav koherens.
Figur 24. Spyrogira -celle (løsrevet fra algetråd) under fasekontrast
Figur 25. Toxoplasma gondii usporet oocyst, differensiell interferenskontrast
Figur 26. Fasekontrastrøntgenbilde med høy oppløsning av en edderkopp
,_100%C3%97..jpg)
Fasekontrast og differensial interferenskontrast (DIC) mikroskopi er viktige verktøy innen biologi og medisin. De fleste dyreceller og encellede organismer har svært lite farge, og deres intracellulære organeller er nesten helt usynlige under enkel lysfeltbelysning . Disse strukturene kan synliggjøres ved farging av prøvene, men fargingsprosedyrer er tidkrevende og dreper cellene. Som sett på fig. 24 og 25, fasekontrast og DIC -mikroskoper tillater ufargede, levende celler å bli studert. DIC har også ikke-biologiske applikasjoner, for eksempel i analysen av plan silisiumhalvlederprosessering .
Vinkel-oppløst lav koherens interferometri (a / LCI) bruker spredt lys for å måle størrelsen av subcellulære gjenstander, herunder cellekjerner. Dette gjør at interferometri dybdemålinger kan kombineres med tetthetsmålinger. Det er funnet forskjellige sammenhenger mellom tilstanden til vevets helse og målingene av subcellulære objekter. For eksempel har det blitt funnet at etter hvert som vevet endres fra normalt til kreft, øker den gjennomsnittlige cellekjernestørrelsen.
Fasekontrast-røntgenbilder (fig. 26) refererer til en rekke teknikker som bruker faseinformasjon av en koherent røntgenstråle til bilde av bløtvev. (For en elementær diskusjon, se Fasekontrastrøntgenbilder (introduksjon) . For en mer grundig gjennomgang, se Fasekontrastrøntgenbilder .) Det har blitt en viktig metode for å visualisere cellulære og histologiske strukturer i en bredt spekter av biologiske og medisinske studier. Det er flere teknologier som brukes til røntgenfase-kontrastavbildning, som alle bruker forskjellige prinsipper for å konvertere fasevariasjoner i røntgenstrålene som kommer fra et objekt til intensitetsvariasjoner. Disse inkluderer forplantningsbasert fasekontrast, Talbot- interferometri, Moiré- basert fjernfeltinterferometri, brytningsforbedret avbildning og røntgeninterferometri. Disse metodene gir høyere kontrast sammenlignet med normal absorpsjonskontrastrøntgenbilder, noe som gjør det mulig å se mindre detaljer. En ulempe er at disse metodene krever mer sofistikert utstyr, for eksempel synkrotron- eller mikrofokusrøntgenkilder , røntgenoptikk eller røntgendetektorer med høy oppløsning.
Se også
- Sammenheng
- Interferometri for koherensskanning
- Fine Guidance Sensor (HST) (HST FGS er interferometre)
- Holografi
- Interferometrisk synlighet
- Interferenslitografi
- Liste over typer interferometre
- Ramsey interferometri
- Seismisk interferometri
- Superposisjonsprinsipp
- Meget lang basislinje interferometri
- Null avstandsfluks
Referanser
-
Medier relatert til interferometri på Wikimedia Commons
