Интерферометр Майкельсона

редактировать
Рис. 1. Базовый интерферометр Майкельсона без оптического источника и детектора. Это изображение демонстрирует простой, но типичный интерферометр Майкельсона. Ярко-желтая линия указывает путь света.

Интерферометр Майкельсона является общей конфигурации для оптической интерферометрии и был изобретен американским физиком 19/20-го века Альберт Абрахам Майкельсона. Использование расщепитель луча, света источника разделяется на два рукава. Каждый из этих световых лучей отражается обратно к светоделителю, который затем объединяет их амплитуды, используя принцип суперпозиции. Результирующая интерференционная картина, которая не направлена ​​обратно к источнику, обычно направляется на фотоэлектрический детектор или камеру какого-либо типа. Для различных применений интерферометра два световых пути могут иметь разную длину или включать оптические элементы или даже тестируемые материалы.

Интерферометр Майкельсона (среди других конфигураций интерферометра) используется во многих научных экспериментах и ​​стал хорошо известен благодаря его использованию Майкельсоном и Эдвардом Морли в знаменитом эксперименте Майкельсона-Морли (1887 г.) в конфигурации, которая позволила бы обнаружить движение Земли через предполагаемое светоносный эфир, который большинство физиков того времени считали средой распространения световых волн. Нулевой результат этого эксперимента по существу опроверг существование такого эфира, что в конечном итоге привело к специальной теории относительности и революции в физике в начале двадцатого века. В 2015 году, еще одно применение интерферометра Майкельсона, LIGO, сделал первое непосредственное наблюдение из гравитационных волн. Это наблюдение подтвердило важное предсказание общей теории относительности, подтвердив предсказание теории об искажении пространства-времени в контексте крупномасштабных космических событий (известных как испытания сильного поля ).

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Конфигурация
  • 2 Пропускная способность источника
  • 3 Приложения
    • 3.1 Спектрометр с преобразованием Фурье
    • 3.2. Интерферометр Тваймена – Грина.
    • 3.3 Лазерный интерферометр с неравным ходом
    • 3.4 Звездные измерения
    • 3.5 Обнаружение гравитационных волн
    • 3.6 Разные приложения
    • 3.7 Атмосферные и космические приложения
  • 4 Технические темы
    • 4.1 Ступенчатый интерферометр
    • 4.2 Фазово-волновая интерферометрия
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Конфигурация

Рис. 2. Путь света в интерферометре Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона состоит минимально из зеркал M 1 amp; 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 сетчатку 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. Узкополосный спектральный свет от разряда или даже белый свет также может использоваться, однако для получения значительного интерференционного контраста требуется, чтобы дифференциальная длина пути была уменьшена ниже 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 природы источника света и точной ориентации зеркал и светоделителя. На рис. 3а оптические элементы ориентированы так, что S ' 1 и S' 2 находятся 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' 2 перекрываются, полосы около ось будет прямой, параллельной и равномерно разнесенной (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.

Пропускная способность источника

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. 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 начальной настройки и грубой коррекции траектории интерферометра. 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), таким образом 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) всегда будет обнаруживаться.

Приложения

Рисунок 5. Спектроскопия с преобразованием Фурье.

Конфигурация интерферометра Майкельсона используется в ряде различных приложений.

Спектрометр с преобразованием Фурье

Основная статья: спектроскопия с преобразованием Фурье

На рис. 5 показана работа спектрометра с преобразованием Фурье, который по сути представляет собой интерферометр Майкельсона с одним подвижным зеркалом. (Практический спектрометр с преобразованием Фурье заменил бы плоские зеркала обычного интерферометра Майкельсона угловые кубические отражатели, но для простоты на иллюстрации это не показано.) Интерферограмма создается путем измерения сигнала во многих дискретных положениях движущегося объекта. зеркало. Преобразование Фурье преобразует интерферограммы в фактический спектр. Спектрометры с преобразованием Фурье могут иметь значительные преимущества перед дисперсионными (то есть решетчатыми и призменными) спектрометрами при определенных условиях. (1) Детектор интерферометра Майкельсона фактически отслеживает все длины волн одновременно на протяжении всего измерения. При использовании зашумленного детектора, например, на инфракрасных длинах волн, это обеспечивает увеличение отношения сигнал / шум при использовании только одного элемента детектора; (2) интерферометр не требует ограниченной апертуры, как решетчатые или призменные спектрометры, которым требуется, чтобы входящий свет проходил через узкую щель для достижения высокого спектрального разрешения. Это преимущество, когда входящий свет не относится к одной пространственной моде. Для получения дополнительной информации см . Преимущество Феллгетта.

Интерферометр Тваймана – Грина

Рис. 6. Интерферометр Тваймана – Грина.

Твимэн-зеленый Интерферометр это разновидность интерферометра Майкельсона используется для тестирования небольших оптических компонентов, изобретен и запатентован Твимэном и Грином в 1916 году Основные характеристики, отличающие его от конфигурации Майкельсона являются использование источника света монохроматического точечного и коллиматором. Майкельсон (1918) критиковал конфигурацию Тваймена – Грина как непригодную для тестирования больших оптических компонентов, поскольку доступные источники света имели ограниченную длину когерентности. Майкельсон указал, что ограничения на геометрию, вызванные ограниченной длиной когерентности, требуют использования эталонного зеркала того же размера, что и тестовое зеркало, что делает модель Тваймана – Грина непрактичной для многих целей. Спустя десятилетия появление лазерных источников света ответило на возражения Майкельсона.

Использование фигурного эталонного зеркала в одном плече позволяет использовать интерферометр Тваймана – Грина для тестирования различных форм оптических компонентов, таких как линзы или зеркала телескопов. На рис. 6 показан интерферометр Тваймана – Грина для проверки линзы. Точечный источник монохроматического света расширяется рассеивающей линзой (не показана), а затем коллимируется в параллельный пучок. Выпуклое сферическое зеркало располагается так, чтобы его центр кривизны совпадал с фокусом исследуемой линзы. Выходящий луч регистрируется системой визуализации для анализа.

Лазерный интерферометр с неравным ходом

"LUPI" - это интерферометр Тваймена – Грина, в котором используется когерентный лазерный источник света. Высокая длина когерентности лазера допускает неравные длины пути в тестовом и эталонном плечах и позволяет экономично использовать конфигурацию Тваймана – Грина при тестировании крупных оптических компонентов. Похожая схема была использована Таджаммалом М. в его докторской диссертации (Манчестерский университет, Великобритания, 1995) для уравновешивания двух ветвей системы LDA. В этой системе использовался волоконно-оптический ответвитель.

Звездные измерения

Звездный интерферометр Майкельсона используется для измерения диаметра звезд. В 1920 году Майкельсон и Фрэнсис Г. Пиз использовали его для измерения диаметра Бетельгейзе, впервые измерив диаметр звезды, отличной от Солнца.

Обнаружение гравитационных волн

Интерферометрия Майкельсона - ведущий метод прямого обнаружения гравитационных волн. Это включает в себя обнаружение крошечных деформаций в самом космосе, неодинаково влияющих на два длинных плеча интерферометра из-за проходящей сильной гравитационной волны. В 2015 году первое обнаружение гравитационных волн было осуществлено с помощью двух интерферометров Майкельсона, каждый с плечом 4 км, которые составляют обсерваторию гравитационных волн с лазерным интерферометром. Это была первой экспериментальной проверка гравитационных волн, предсказанный Альберт Эйнштейн «с общей теорией относительности. С добавлением интерферометра Девы в Европе стало возможным вычислить направление, из которого исходят гравитационные волны, используя крошечные различия во времени прихода между тремя детекторами. В 2020 году Индия строила четвертый интерферометр Майкельсона для обнаружения гравитационных волн.

Разные приложения

Рис. 7. Допплерограмма гелиосейсмического магнитного сканера (HMI), показывающая скорость газовых потоков на поверхности Солнца. Красный цвет указывает на движение от наблюдателя, а синий указывает на движение к наблюдателю.

На рис. 7 показано использование интерферометра Майкельсона в качестве настраиваемого узкополосного фильтра для создания допплерограмм поверхности Солнца. При использовании в качестве настраиваемого узкополосного фильтра интерферометры Майкельсона демонстрируют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с конкурирующими технологиями, такими как интерферометры Фабри – Перо или фильтры Лио. Интерферометры Майкельсона имеют наибольшее поле зрения для заданной длины волны и относительно просты в эксплуатации, поскольку настройка осуществляется посредством механического вращения волновых пластин, а не посредством управления высоким напряжением пьезоэлектрических кристаллов или оптических модуляторов ниобата лития, которые используются в системе Фабри-Перо.. По сравнению с фильтрами Лио, в которых используются двулучепреломляющие элементы, интерферометры Майкельсона имеют относительно низкую температурную чувствительность. С другой стороны, интерферометры Майкельсона имеют относительно ограниченный диапазон длин волн и требуют использования предварительных фильтров, которые ограничивают пропускание. Надежность интерферометров Майкельсона способствовала их использованию в космических приложениях, в то время как широкий диапазон длин волн и общая простота интерферометров Фабри – Перо благоприятствовали их использованию в наземных системах.

Рисунок 8. Типичная оптическая схема одноточечного ОКТ.

Другое применение интерферометра Майкельсона - это оптическая когерентная томография (ОКТ), метод медицинской визуализации с использованием низкокогерентной интерферометрии для обеспечения томографической визуализации микроструктур внутренних тканей. Как видно на рис. 8, ядром типичной системы ОКТ является интерферометр Майкельсона. Одно плечо интерферометра фокусируется на образце ткани и сканирует образец в виде продольного растрового шаблона XY. Другое плечо интерферометра отражается от опорного зеркала. Отраженный свет от образца ткани комбинируется с отраженным светом от эталона. Из-за низкой когерентности источника света интерферометрический сигнал наблюдается только на ограниченной глубине образца. Таким образом, XY-сканирование регистрирует по одному тонкому оптическому срезу образца за раз. Выполняя несколько сканирований, перемещая эталонное зеркало между каждым сканированием, можно восстановить полное трехмерное изображение ткани. Недавние достижения направлены на объединение нанометрового восстановления фазы когерентной интерферометрии с возможностью измерения дальности низкокогерентной интерферометрии.

Другие приложения включают в себя интерферометр с линией задержки, который преобразует фазовую модуляцию в амплитудную модуляцию в сетях DWDM, определение характеристик высокочастотных цепей и получение недорогой энергии в ТГц диапазоне.

Атмосферные и космические приложения

Интерферометр Майкельсона сыграл важную роль в исследованиях верхних слоев атмосферы, обнаруживая температуры и ветры, используя как космические, так и наземные инструменты, путем измерения доплеровской ширины и сдвигов в спектрах свечения атмосферы и полярных сияний. Например, интерферометр изображения ветра WINDII на спутнике исследования верхних слоев атмосферы UARS (запущен 12 сентября 1991 г.) измерял глобальные характеристики ветра и температуры на расстоянии от 80 до 300 км, используя излучение видимого свечения атмосферы с этих высот в качестве цель и использование оптической доплеровской интерферометрии для измерения небольших сдвигов длин волн узких эмиссионных линий атомов и молекул в воздухе, вызванных объемной скоростью атмосферы, несущей излучающие частицы. Инструмент представлял собой цельностеклянный ахроматически и термокомпенсированный интерферометр Майкельсона с шаговым шагом по фазе, а также CCD-детектор без оболочки, который отображал световой пучок через интерферометр. Последовательность пошаговых изображений была обработана для определения скорости ветра для двух ортогональных направлений обзора, что дало горизонтальный вектор ветра.

Принцип использования поляризационного интерферометра Майкельсона в качестве узкополосного фильтра был впервые описан Эвансом, который разработал двулучепреломляющий фотометр, в котором падающий свет разделяется на две ортогонально поляризованные компоненты с помощью поляризационного светоделителя, зажатого между двумя половинами куба Майкельсона. Это привело к созданию первого поляризационного интерферометра Майкельсона с широким полем, описанного Титулом и Рэмси, который использовался для наблюдений за Солнцем; и привела к разработке усовершенствованного прибора, применяемого для измерения колебаний в атмосфере Солнца, с использованием сети обсерваторий вокруг Земли, известной как Группа глобальных колебаний (GONG).

Рис. 9. Магнитограмма (магнитное изображение) Солнца, показывающая области с интенсивным магнитным полем (активные области) в черно-белом цвете, полученные с помощью гелиосейсмического и магнитного формирователя изображений (HMI) на обсерватории солнечной динамики.

Поляризационный атмосферный интерферометр Майкельсона, PAMI, разработанный Бердом и др. И описанный в « Спектральном изображении атмосферы», сочетает в себе метод настройки поляризации Титула и Рэмси с методом Шепарда и др. Методика определения ветра и температуры на основе измерений интенсивности выбросов при последовательных разностях хода, но система сканирования, используемая PAMI, намного проще, чем системы с подвижным зеркалом, в том смысле, что у нее нет внутренних движущихся частей, вместо этого сканирование осуществляется с помощью поляризатора, внешнего по отношению к интерферометру. PAMI был продемонстрирован в кампании наблюдений, где его характеристики сравнивались со спектрометром Фабри – Перо и использовались для измерения ветра в Е-регионе.

Совсем недавно гелиосейсмический и магнитный формирователь изображений ( HMI ) на обсерватории солнечной динамики использует два интерферометра Майкельсона с поляризатором и другими настраиваемыми элементами для изучения солнечной изменчивости и характеристики внутренней части Солнца, а также различных компонентов магнитной активности. HMI выполняет измерения продольного и векторного магнитного поля с высоким разрешением по всему видимому диску, таким образом расширяя возможности своего предшественника, прибора MDI SOHO (см. Рис. 9). HMI производит данные для определения внутренних источников и механизмов солнечной изменчивости и того, как физические процессы внутри Солнца связаны с поверхностным магнитным полем и активностью. Он также предоставляет данные, позволяющие оценить корональное магнитное поле для изучения изменчивости в протяженной солнечной атмосфере. Наблюдения с помощью HMI помогут установить взаимосвязь между внутренней динамикой и магнитной активностью, чтобы понять солнечную изменчивость и ее эффекты.

В одном из примеров использования MDI ученые из Стэнфорда сообщили об обнаружении нескольких областей солнечных пятен в глубоких недрах Солнца за 1-2 дня до их появления на солнечном диске. Таким образом, обнаружение солнечных пятен в недрах Солнца может дать ценные предупреждения о предстоящей поверхностной магнитной активности, которые можно использовать для улучшения и расширения прогнозов космической погоды.

Технические темы

Шаговый интерферометр

Это интерферометр Майкельсона, в котором зеркало в одном плече заменено эталоном Жира – Турнуа. Отраженная эталоном Жира – Турнуа высокодисперсная волна 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.

ОВФ-интерферометрия

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: Δ φ {\ displaystyle \ Delta \ varphi} - Δ φ {\ displaystyle - \ Delta \ varphi} λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2}

я ( Δ L ) [ 1 + γ ( Δ L ) потому что ( 2 k Δ L ) ] {\ Displaystyle I (\ Delta L) \ sim [1+ \ gamma (\ Delta L) \ cos (2k \ Delta L)]},

где - корреляционная функция второго порядка, интерференционная кривая в ОВФ имеет гораздо больший период, определяемый сдвигом частоты отраженных лучей: γ ( Δ L ) {\ displaystyle \ gamma (\ Delta L)} δ ω знак равно Δ k c {\ displaystyle \ delta \ omega = \ Delta kc}

я ( Δ L ) [ 1 + [ γ ( Δ L ) + 0,25 ] потому что ( Δ k Δ L ) ] {\ Displaystyle I (\ Delta L) \ sim [1 + [\ gamma (\ Delta L) +0,25] \ 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 - перспективная технология когерентного суммирования лазерных усилителей. Конструктивная интерференция в матрице, содержащей светоделители лазерных лучей, синхронизированных с помощью фазового сопряжения, может увеличивать яркость усиленных лучей как. Δ L gt; c о час {\ displaystyle \ Delta Lgt; \ ell _ {\ rm {coh}}} N / 2 {\ displaystyle N / 2} N {\ displaystyle N} N 2 {\ Displaystyle N ^ {2}}

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2024-01-02 10:52:59
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте