Войти
A Интерферометр общего пути - это класс интерферометров, в которых эталонный луч и луч образца движутся по одному и тому же пути. Примеры включают интерферометр Саньяка, интерферометр фазового контраста Цернике и точечный дифракционный интерферометр. Интерферометр с общим путём обычно более устойчив к вибрациям окружающей среды, чем «двухлучевой интерферометр», такой как интерферометр Майкельсона или интерферометр Маха – Цендера. Несмотря на то, что эталонный луч и луч образца движутся по одному и тому же пути, они могут двигаться в противоположных направлениях или они могут двигаться в одном направлении, но с одинаковой или разной поляризацией.
Двухлучевые интерферометры очень чувствительны к фазовым сдвигам или изменениям длины между опорным плечом и плечами образца. Из-за этого двухлучевые интерферометры нашли широкое применение в науке и промышленности для измерения малых смещений, изменений показателя преломления, неровностей поверхности и т.п. Однако есть приложения, в которых нежелательна чувствительность к относительному смещению или разнице показателей преломления между путями эталона и образца; в качестве альтернативы, кто-то может быть заинтересован в измерении какого-либо другого свойства.
Рис. 1. Избранные примеры интерферометров с общим ходом Интерферометры Саньяка совершенно не подходят для измерения длины или ее изменения. В интерферометре Саньяка оба луча, выходящие из светоделителя, одновременно огибают все четыре стороны прямоугольника в противоположных направлениях и рекомбинируют на исходном светоделителе. В результате интерферометр Саньяка в первую очередь совершенно нечувствителен к любому движению его оптических компонентов. В самом деле, чтобы сделать интерферометр Саньяка полезным для измерения фазовых изменений, лучи интерферометра должны быть немного разделены, чтобы они больше не следовали по совершенно обычному пути. Даже при небольшом разделении лучей интерферометры Саньяка обеспечивают превосходный контраст и стабильность краев. Возможны две основные топологии интерферометра Саньяка, различающиеся тем, есть ли четное или нечетное количество отражений на каждом пути. В интерферометре Саньяка с нечетным числом отражений, таком как показанный, волновые фронты встречно движущихся лучей инвертированы в боковом направлении относительно друг друга на большей части светового пути, поэтому топология не является строго общей.
Наиболее известное применение интерферометра Саньяка заключается в его чувствительности к вращению. Первые отчеты о влиянии вращения на эту форму интерферометра были опубликованы в 1913 году Жоржем Саньяком, который ошибочно полагал, что его способность обнаруживать «кружение эфира» опровергает теорию относительности. Чувствительность современных интерферометров Саньяка намного превосходит чувствительность оригинального устройства Саньяка. Чувствительность к вращению пропорциональна площади, ограниченной встречно вращающимися лучами, и волоконно-оптические гироскопы, современные потомки интерферометра Саньяка, используют тысячи петель оптического волокна, а не зеркал, так что даже малые и средние устройства легко обнаруживают вращение Земли. Кольцевые лазерные гироскопы (не показаны) - это еще одна форма датчика вращения Саньяка, которая имеет важное применение в инерциальных системах наведения.
Благодаря своему исключительному контрасту и стабильности полос интерферометры, использующие конфигурацию Саньяка, сыграли важную роль в экспериментах, приведших к открытию Эйнштейном специальной теории относительности, и в последующей защите теории относительности от теоретических и экспериментальных проблем. Например, за год до своего знаменитого эксперимента 1887 года Майкельсон и Морли (1886) повторили эксперимент Физо 1851 года, заменив установку Физо на интерферометр Саньяка с четным отражением. такой высокой стабильности, что даже размещение зажженной спички на световом пути не вызывало искусственного смещения краев. В 1935 году Густав Вильгельм Хаммар опроверг теоретический вызов специальной теории относительности, который попытался объяснить нулевые результаты экспериментов типа Майкельсона-Морли как простой артефакт перетаскивания эфира, используя интерферометр Саньяка с нечетным отражением. Он мог эксплуатировать этот интерферометр на открытом воздухе, на высокой вершине холма без контроля температуры, но все же достигать показаний с точностью до 1/10 интервала.
Рис. 2. Эксперимент Юнга - одиночный или двойной -щели Другим интерферометром с общим траекторией движения, который может быть полезен при проверке линз и диагностике потока жидкости, является точечный дифракционный интерферометр (PDI), изобретенный Линником в 1933 году. Опорный луч генерируется за счет дифракции от небольшого точечное отверстие размером примерно половину диаметра диска Эйри в полупрозрачной пластине. На рис. 1 показан аберрированный волновой фронт, сфокусированный на точечное отверстие. Дифрагированный опорный луч и прошедшая тестовая волна интерферируют, образуя полосы. Конструкция PDI с общим трактом дает ряд важных преимуществ. (1) Требуется только один лазерный путь, а не два пути, требуемые схемами Маха-Цендера или Майкельсона. Это преимущество может быть очень важным в больших интерферометрических установках, таких как аэродинамические трубы, которые имеют длинные оптические пути через турбулентные среды. (2) В конструкции с общим трактом используется меньше оптических компонентов, чем в конструкции с двойным трактом, что значительно упрощает выравнивание, а также снижает стоимость, размер и вес, особенно для больших установок. (3) В то время как точность двойной конструкции пути зависит от точности, с которой фигурировали опорный элемент, тщательная конструкция позволяет сгенерированную опорный луч PDI, чтобы быть гарантированной точности. Недостатком является то, что количество света, проходящего через точечное отверстие, зависит от того, насколько хорошо свет может быть сфокусирован на точечном отверстии. Если фронт падающей волны сильно аберрирован, очень мало света может пройти. PDI был использован в различных приложениях адаптивной оптики.
Боковой сдвиг интерферометрии - это саморегулирующийся метод измерения волнового фронта. Вместо того чтобы сравнивать волновой фронт с отдельным опорным волновым фронтом пути, интерферометрия бокового сдвига мешает волновому фронту со смещенной версией самого себя. В результате он чувствителен к наклону волнового фронта, а не к форме волнового фронта как таковой. Показанный интерферометр с плоскопараллельными пластинами имеет неодинаковую длину пути для тестового и эталонного лучей; из-за этого он должен использоваться с высокомонохроматическим (лазерным) светом. Обычно он используется без какого-либо покрытия на любой поверхности, чтобы минимизировать паразитные отражения. Аберрированный волновой фронт испытуемой линзы отражается от передней и задней части пластины, образуя интерференционную картину. Варианты этой базовой конструкции позволяют тестировать зеркала. Другие формы интерферометра бокового сдвига, основанные на Джамине, Майкельсоне, Маха – Цендере и других конструкциях интерферометра, имеют скомпенсированные пути и могут использоваться с белым легкий. Помимо оптических испытаний, применения интерферометрии бокового сдвига включают анализ тонких пленок, массо- и термодиффузию в прозрачных материалах, измерение показателя преломления и градиента показателя преломления, коллимационные испытания и адаптивную оптику. Сдвиговые интерферометры, общая структура, которая включает в себя боковой сдвиг, интерферометры Хартмана, Шака – Хартмана, вращательные сдвиги, складки и маскирующие апертуру, используются в большинстве датчиков волнового фронта в промышленности.
Рис. 3. Бипризма, используемая в системе электронной голографии С современной точки зрения, результат эксперимента Юнга с двойной щелью (см. рис. 2) ясно указывает на волновую природу света, но этого не было в начале 1800-х годов. В конце концов, Ньютон наблюдал то, что теперь называется дифракционными явлениями, и написал о них в своей Третьей книге по оптике, интерпретируя их в терминах своей корпускулярной теории света. Современники Юнга возражали, что его результаты могут просто представлять дифракционные эффекты от краев щелей, в принципе не отличающиеся от полос, которые Ньютон наблюдал ранее. Огюстен Френель, поддержавший волновую теорию, провел серию экспериментов, чтобы продемонстрировать эффекты интерференции, которые нельзя было просто объяснить как результат краевой дифракции. Наиболее заметным из них было использование им бипризмы для создания двух виртуальных источников помех за счет преломления.
Электронная версия бипризмы Френеля используется в электронной голографии, методе визуализации, который фотографически регистрирует картину электронной интерференции объекта. Затем голограмма может быть освещена лазером, что приводит к сильно увеличенному изображению исходного объекта, хотя в настоящее время предпочтение отдается числовому восстановлению голограмм. Этот метод был разработан для обеспечения большего разрешения электронной микроскопии, чем это возможно при использовании традиционных методов визуализации. Разрешение обычной электронной микроскопии ограничивается не длиной волны электронов, а большими аберрациями электронных линз.
Рис. 3 показано базовое устройство интерференционного электронного микроскопа. Электронная бипризма состоит из тонкой, положительно заряженной электрической нити (обозначенной точкой на рисунке), заключенной в скобки двумя пластинчатыми электродами с потенциалом земли. Нить накала, как правило, не более 1 мкм в диаметре, обычно представляет собой кварцевое волокно с золотым покрытием. Помещая образец вне оси в пучок электронов, дифрагированный волновой фронт образца и опорный волновой фронт объединяются, чтобы создать голограмму.
Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO) состояла из двух 4-километровых интерферометров Майкельсона – Фабри – Перо, и работал на уровне мощности около 100 Вт мощности лазера на светоделителе. Текущее обновление до Advanced LIGO потребует нескольких киловатт мощности лазера, и ученым придется бороться с тепловыми искажениями, изменением частоты лазеров, смещением зеркала и термически индуцированным двойным лучепреломлением.
Существует множество конкурирующих оптических систем. исследуются на предмет усовершенствований третьего поколения помимо Advanced LIGO. Одной из этих конкурирующих топологий была конструкция Саньяка с нулевой площадью. Как отмечалось выше, интерферометры Саньяка, в первую очередь, нечувствительны к любому статическому или низкочастотному смещению их оптических компонентов, а также не влияют на полосы незначительные изменения частоты в лазерах или двойное лучепреломление. Для третьего поколения LIGO был предложен вариант интерферометра Саньяка с нулевой площадью. На рис. 1 показано, как направляя свет через две контуры противоположного направления, получается нулевая эффективная площадь. Этот вариант интерферометра Саньяка, следовательно, нечувствителен к вращению или низкочастотному дрейфу его оптических компонентов, сохраняя при этом высокую чувствительность к переходным явлениям, представляющим астрономический интерес. Однако при выборе оптической системы необходимо учитывать множество факторов, и, несмотря на превосходство Саньяка с нулевой площадью в определенных областях, до сих пор нет единого мнения о выборе оптической системы для LIGO третьего поколения.
Распространенной альтернативой интерферометру Тваймана – Грина является интерферометр с рассеивающей пластиной, изобретенный Дж. М. Берчем в 1953 году. Интерферометр Тваймена – Грина, двухлучевой интерферометр, представляет собой вариант интерферометра Майкельсона. это обычно используется для проверки точности оптических поверхностей и линз. Поскольку пути эталона и образца расходятся, интерферометр этой формы чрезвычайно чувствителен к вибрации и атмосферной турбулентности на пути света, которые мешают оптическим измерениям. Точные измерения оптической поверхности также в значительной степени зависят от качества вспомогательной оптики.
Поскольку интерферометр с рассеивающей пластиной является интерферометром с общим лучом, эталонный и испытательный тракты автоматически согласовываются, так что полосу нулевого порядка можно легко получить даже при белом свете. Он относительно нечувствителен к вибрации и турбулентности, а качество вспомогательной оптики не так критично, как в установке Twyman-Green. Однако контраст бахромы ниже, а характерная горячая точка может сделать интерферометр с рассеивающей пластиной непригодным для различных целей. Было описано множество других интерферометров с общим трактом, полезных для оптических испытаний.
Рис. 1 показан интерферометр для проверки сферического зеркала. Рассеивающую пластину устанавливают около центра кривизны испытуемого зеркала. Эта пластина имеет узор из крошечных непрозрачных пятен, которые расположены на пластине с инверсионной симметрией, но в остальном имеют случайную форму и распределение. (1) Определенная часть света проходит непосредственно через рассеивающую пластину, отражается от зеркала, но затем рассеивается, когда встречается с рассеивающей пластиной во второй раз. Этот прямо рассеянный свет образует опорный луч. (2) Определенная часть света рассеивается при прохождении через рассеивающую пластину, отражается от зеркала, но затем проходит непосредственно через рассеивающую пластину, когда встречается с рассеивающей пластиной во второй раз. Этот рассеянный прямой свет формирует тестовый луч, который в сочетании с опорным лучом образует интерференционные полосы. (3) Определенная часть света проходит непосредственно через рассеивающую пластину при обоих встречах. Этот прямой свет создает небольшую нежелательную точку доступа. (4) Определенная часть света рассеивается при обоих встречах с рассеивающей пластиной. Этот рассеянно-рассеянный свет снижает общий контраст интерференционной картины.
В литературе описаны другие конфигурации интерферометра с общим трактом, такие как двухфокусный интерферометр и Призменный интерферометр Сондерса и многие другие. Интерферометры с общим трактом оказались полезными в широком спектре приложений, включая оптическую когерентную томографию, цифровую голографию и измерение фазовых задержек. Их относительная устойчивость к вибрации окружающей среды является общей отличительной чертой, и они иногда могут быть использованы при отсутствии опорного пучка не доступен; однако, в зависимости от их топологии, их интерференционные картины могут быть сложнее интерпретировать, чем те, которые генерируются двухлучевыми интерферометрами.
