Interferometrija

Slika 1. Svetlosni put kroz Mičelsonov interferometar. Dva svetlosna zraka sa zajedničkim izvorom kombinuju se na polu-posrebrnom ogledalu kako bi stigla do detektora. Oni mogu da interferiraju bilo konstruktivno (jačanje intenziteta) ako njihovi svetlosni talasi stižu u fazi, ili destruktivno (slabljenje intenziteta) ako dođu van faze, u zavisnosti od tačnih rastojanja između tri ogledala.

Interferometrija je skup tehnika u kojima su talasi (uglavnom elektromagnetni) preklopljeni da bi se izazvao fenomen interferencije, da bi se dobile informacije o talasima. Interferometrija je važna istražna metoda u astronomiji, optičkim vlaknima, inženjerskoj meteorologiji, optičkoj meteorologiji, geodeziji, okeanografiji, seizmologiji, kvantnoj mehanici, nuklearnoj fizici, fizici čestica itd.

Interferometri su uređaji koji ekstrahuju informacije iz interferencije. Oni se široko koriste u nauci i industriji za merenje mikroskopskih pomeranja, promena indeksa prelamanja i površinskih nepravilnosti. U slučaju većine interferometara, svetlost iz jednog izvora je podeljena na dva snopa koja putuju različitim optičkim putevima, koji se zatim ponovo kombinuju da bi proizvela interferencija; dva inkoherentna izvora takođe mogu proizvesti interferenciju pod nekim okolnostima. Rezultujuće interferencijske trake daju informacije o razlici u dužinama optičke putanje. U analitičkoj nauci, interferometri se koriste za merenje dužina i oblika optičkih komponenti sa nanometarskom preciznošću; oni su najprecizniji postojeći merni instrumenti za dužinu. U spektroskopiji sa Furijeovom transformacijom oni se koriste za analizu svetlosti koja sadrži karakteristike apsorpcije ili emisije povezane sa supstancom ili smešom. Astronomski interferometar se sastoji od dva ili više zasebnih teleskopa koji kombinuju svoje signale, nudeći rezoluciju ekvivalentnu rezoluciji teleskopa prečnika jednakog najvećoj udaljenosti između njegovih pojedinačnih elemenata.

Osnovni principi

Slika 2. Formiranje traka u Mičelsonovom interferometru

Slika 3. Obojene i monohromatske trake u Mičelsonovom interferometeru: (a) trake bele svetlosti gde se dva snopa razlikuju po broju faznih inverzija; (b) trake bele svetlosti gde dva snopa imaju isti broj inverzija faza; (c) Obrazac traka pomoću monohromatskog svetla (natrijumove D linije)

Interferometrija koristi princip superpozicije za kombinovanje talasa na način koji će uzrokovati da rezultat njihove kombinacije ima neku smislenu osobinu iz koje se može dijagnozirati prvobitno stanje talasa. Ovo funkcioniše, jer kada se dva talasa sa istom frekvencijom spoje, rezultujući patern intenziteta je određen faznom razlikom između dva talasa - talasi koji su u fazi će biti podvrgnuti konstruktivnoj interferenciji, dok će talasi koji su van faze pretrpeti destruktivnu interferenciju. Talasi koji nisu u potpunosti u fazi, niti su potpuno van faze, imaće obrazac srednjeg intenziteta, koji se može koristiti za određivanje njihove relativne fazne razlike. Većina interferometara koristi svetlost ili neki drugi oblik elektromagnetnog talasa.

Tipično (pogledajte sliku 1, dobro poznata Mičelsonova konfiguracija) jedan ulazni snop koherentne svetlosti se podeli na dva identična zraka pomoću razdeljivača snopa (delimično reflektujućeg ogledala). Svaki od ovih snopova putuje različitom rutom, koja se naziva putanja, i oni se rekombinuju pre nego što stignu do detektora. Razlika u putanji, razlika u udaljenosti koju pređe svaki snop, stvara faznu razliku među njima. Ova uvedena razlika u fazama stvara patern smetnji između inicijalno identičnih talasa. Ako je jedan snop podeljen na dve putanje, onda je razlika u fazi dijagnostična sve što menja fazu duž staze. Ovo može biti fizička promena same dužine putanje ili promena indeksa prelamanja duž putanje.

Kao što se vidi na slikama 2a i 2b, posmatrač ima direktan pogled na ogledalo M₁ koje se vidi kroz razdeljivač snopa, i vidi odbijenu sliku M′₂ ogledala M₂. Trake se mogu tumačiti kao rezultat interferencije između svetlosti koja dolazi sa dve virtuelne slike S′₁ i S′₂ izvornog izvora S. Karakteristike interferencionog uzorka zavise od prirode izvora svetlosti i precizne orijentacije ogledala i razdeljivača zraka. Na slici 2a, optički elementi su orijentisani tako da su S′₁ i S′₂ u liniji sa posmatračem, a rezultujući interferencijski obrazac sastoji se od krugova centriranih na normali na M₁ i M'₂. Ako su, kao na slici 2b, M₁ i M′₂ nagnute jedna prema drugoj, interferencione trake će obično imati oblik konusnih preseka (hiperbola), ali ako se M′₁ i M′₂ preklapaju, trake blizu osa će biti ravne, paralelna i jednako razmaknute. Ako je S produženi izvor, a ne tačkasti izvor, kao što je ilustrovano, trake slike 2a se moraju posmatrati teleskopom postavljenim na beskonačnost, dok će rubovi sa slike 2b biti lokalizovani na ogledalima.

Upotreba belog svetla će rezultirati u paternu obojenih rubova (videti sliku 3). Centralna traka koja predstavlja jednaku dužinu putanje može biti svetla ili tamna u zavisnosti od broja faznih inverzija koje doživljavaju dva snopa dok oni prelaze kroz optički sistem. (videti Mičelsonov interferometar za diskusiju o ovome.)

Kategorije

Interferometri i interferometrijske tehnike se mogu se kategorisati prema različitim kriterijumima:

Poređenje homodinske i heterodinske detekcije

U homodinskoj detekciji, interferometrija se javlja između dva snopa na istoj talasnoj dužini (ili nosećoj frekvenciji). Fazna razlika između dva snopa rezultira promenom intenziteta svetlosti na detektoru. Rezultirajući intenzitet svetlosti nakon mešanja ova dva snopa se meri, ili se posmatra ili snima patern interferencionih traka. Većina interferometra o kojima se govori u ovom članku spada u ovu kategoriju.

Heterodinska tehnika se koristi za (1) prebacivanje ulaznog signala u novi opseg frekvencija, kao i (2) pojačavanje slabog ulaznog signala (pod pretpostavkom upotrebe aktivnog miksera). Slab ulazni signal frekvencije f₁ pomešan je sa jakom referentnom frekvencijom f₂ lokalnog oscilatora (LO). Nelinearna kombinacija ulaznih signala stvara dva nova signala, jedan na zbiru f₁ + f₂ dve frekvencije, a drugi na razlici f₁ − f₂. Ove nove frekvencije nazivaju se heterodini. Obično se želi samo jedna od novih frekvencija, a drugi signal se filtrira sa izlaza miksera. Izlazni signal će imati intenzitet proporcionalan proizvodu amplituda ulaznih signala.

Najvažnija i široko korišćena primena heterodinske tehnike je u superheterodinskom prijemniku (superhet), koji je izumio američki inženjer Edvin Hauard Armstrong 1918. U ovom kolu se ulazni radio-frekvencijski signal sa antene meša sa signalom lokalnog oscilator (LO) i heterodinskom tehnikom konvertuje u signal niže fiksne frekvencije koji se naziva intermedijerna frekvencija (IF). Ovaj IF signal se pojačava i filtrira, pre nego što se primeni na detektor koji izdvaja audio signal, koji se šalje na zvučnik.

Optička heterodinska detekcija je proširenje heterodinske tehnike na više (vidljive) frekvencije.

Dok se optička heterodinska interferometrija obično izvodi u jednoj tački, takođe je moguće izvesti ovo na celom polju.

Dvostruki put naspram zajedničkog puta

Slika 4. Četiri primera interferometra zajedničkog puta

Interferometar sa dvostrukim putem je onaj u kojem referentni zrak i snop uzorka putuju duž različitih puteva. Primeri uključuju Mičelsonov interferometar, Tvajman-Grinov interferometar i Mah-Zehnderov interferometar. Nakon što je perturbiran interakcijom sa uzorkom koji se ispituje, snop uzorka se ponovo kombinuje sa referentnim snopom kako bi se stvorio obrazac interferencije koji se zatim može tumačiti.

Interferometar zajedničke putanje je klasa interferometra u kojoj referentni zrak i snop uzorka putuju po istoj putanji. Slika 4 prikazuje Sagnakov interferometar, žiroskop sa optičkim vlaknima, interferometar tačkaste difrakcije i interferometar sa bočnim smicanjem. Drugi primeri uobičajenog interferometra putanje su Zernikov fazno-kontrastni mikroskop, Fresnelova biprizma, Sagnak sa nultom površinom i interferometar raspršene ploče.

Vidi još

• Dugobazična interferometrija

Literatura

• Hariharan, P. (2007). Basics of Interferometry. Elsevier Inc. ISBN 978-0-12-373589-8. 
• Bunch, Bryan H; Hellemans, Alexander (april 2004). The History of Science and Technology. Houghton Mifflin Harcourt. str. 695. ISBN 978-0-618-22123-3. 
• Hecht (1998). Optics (3rd izd.). Addison Wesley Longman. str. 554–574. ISBN 978-0-201-83887-9. 
• Wolf, Emil (2007). Introduction to the theory of coherence and polarization of light. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780521822114. OCLC 149011826. 
• Rolf G. Winter; Aephraim M. Steinberg (2008). „Coherence”. AccessScience. McGraw-Hill. doi:10.1036/1097-8542.146900. 
• M.Born; E. Wolf (1999). Principles of Optics (7th izd.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-64222-4. 
• Loudon, Rodney (2000). The Quantum Theory of Light. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850177-0. 
• Leonard Mandel; Emil Wolf (1995). Optical Coherence and Quantum Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-41711-2. 
• Arvind Marathay (1982). Elements of Optical Coherence Theory. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-56789-9. 
• Baumgratz, T.; Cramer, M.; Plenio, M.B. (2014). „Quantifying Coherence”. Phys. Rev. Lett. 113 (14): 140401. Bibcode:2014PhRvL.113n0401B. PMID 25325620. S2CID 45904642. arXiv:1311.0275 . doi:10.1103/physrevlett.113.140401. 
• Tan, K.C.; Jeong, H. (2018). „Entanglement as the Symmetric Portion of Correlated Coherence”. Phys. Rev. Lett. 121 (22): 220401. Bibcode:2018PhRvL.121v0401T. PMID 30547638. S2CID 51690149. arXiv:1805.10750 . doi:10.1103/PhysRevLett.121.220401. 
• Penrose, O.; Onsager, L. (1956). „Bose-Einstein Condensation and Liquid Helium”. Phys. Rev. 104 (3): 576—584. Bibcode:1956PhRv..104..576P. doi:10.1103/physrev.104.576. 
• Yang, C.N. (1962). „Concept of Off-Diagonal Long-Range Order and the Quantum Phases of Liquid He and of Superconductors”. Rev. Mod. Phys. 34 (4): 694—704. Bibcode:1962RvMP...34..694Y. doi:10.1103/revmodphys.34.694. 
• A. P. French (2003). Vibrations and Waves. Norton. ISBN 978-0-393-09936-2. 
• Richard P. Feynman, Robert B. Leighton and Matthew Sands (1963). „Quantum Behaviour”. The Feynman Lectures on Physics. III. Addison-Wesley. 

Spoljašnje veze

• Dr. SkySkull (2008-09-03). „Optics basics: Coherence”. Skulls in the Stars.