Un interferómetro de camino común es una clase de interferómetros en los que el haz de referencia y los haces de muestra viajan a lo largo del mismo camino. Los ejemplos incluyen el interferómetro de Sagnac , el interferómetro de contraste de fases de Zernike y el interferómetro de difracción puntual . Un interferómetro de camino común es generalmente más robusto a las vibraciones ambientales que un "interferómetro de camino doble" como el interferómetro de Michelson o el interferómetro de Mach-Zehnder . [1] Aunque viajan por la misma trayectoria, los haces de referencia y de muestra pueden viajar en direcciones opuestas, o pueden viajar en la misma dirección pero con la misma o diferente polarización.
Los interferómetros de doble trayectoria son muy sensibles a los cambios de fase o de longitud entre los brazos de referencia y de muestra. Debido a esto, los interferómetros de doble trayectoria han encontrado un amplio uso en la ciencia y la industria para medir pequeños desplazamientos, [2] cambios en el índice de refracción, [3] irregularidades de la superficie y similares. Sin embargo, hay aplicaciones en las que no es deseable la sensibilidad al desplazamiento relativo o a las diferencias del índice de refracción entre las trayectorias de referencia y de muestra; alternativamente, uno puede estar interesado en la medición de alguna otra propiedad.
Los interferómetros de Sagnac son totalmente inadecuados para medir longitudes o cambios de longitud. En un interferómetro de Sagnac, ambos haces que emergen del divisor de haz rodean simultáneamente los cuatro lados de un rectángulo en direcciones opuestas y se recombinan en el divisor de haz original. El resultado es que un interferómetro Sagnac es, de primer orden, completamente insensible a cualquier movimiento de sus componentes ópticos. De hecho, para que el interferómetro de Sagnac sea útil para medir cambios de fase, los haces del interferómetro deben separarse ligeramente para que ya no sigan una trayectoria perfectamente común. Incluso con una ligera separación del haz, los interferómetros de Sagnac ofrecen un excelente contraste y estabilidad marginal. [4] Son posibles dos topologías básicas del interferómetro de Sagnac, que se diferencian en si hay un número par o impar de reflexiones en cada camino. En un interferómetro Sagnac con un número impar de reflexiones, como el que se ilustra, los frentes de onda de los haces que viajan en sentidos opuestos están invertidos lateralmente entre sí durante la mayor parte de la trayectoria de la luz, por lo que la topología no es estrictamente de trayectoria común. [5]
El uso más conocido del interferómetro de Sagnac reside en su sensibilidad a la rotación. Los primeros relatos de los efectos de la rotación en esta forma de interferómetro fueron publicados en 1913 por Georges Sagnac, quien creía erróneamente que su capacidad para detectar un "giro del éter" refutaba la teoría de la relatividad. [6] La sensibilidad de los interferómetros de Sagnac actuales supera con creces la del dispositivo original de Sagnac. La sensibilidad a la rotación es proporcional al área circunscrita por los rayos contrarrotativos, y los giroscopios de fibra óptica , descendientes actuales del interferómetro de Sagnac, utilizan miles de bucles de fibra óptica en lugar de espejos, de modo que incluso las pequeñas y medianas dimensiones Las unidades detectan fácilmente la rotación de la Tierra. [7] Los giroscopios láser de anillo (no ilustrados) son otra forma de sensor de rotación Sagnac que tiene aplicaciones importantes en sistemas de guía inercial. [6]
Debido a su excepcional contraste y estabilidad marginal, los interferómetros que utilizan la configuración de Sagnac desempeñaron un papel importante en los experimentos que condujeron al descubrimiento de la relatividad especial por parte de Einstein y en la posterior defensa de la relatividad contra los desafíos teóricos y experimentales. Por ejemplo, un año antes de su famoso experimento de 1887 , Michelson y Morley (1886) realizaron una repetición del experimento de Fizeau de 1851, reemplazando la configuración de Fizeau con un interferómetro Sagnac de reflexión uniforme de tan alta estabilidad, que incluso colocando una cerilla encendida en el camino de la luz no causó un desplazamiento marginal artificial. [8] En 1935, Gustaf Wilhelm Hammar refutó un desafío teórico a la relatividad especial que intentaba explicar los resultados nulos de los experimentos de tipo Michelson-Morley como un mero artefacto de arrastre de éter , utilizando un interferómetro Sagnac de reflexión impar. Podía operar este interferómetro al aire libre, en la cima de una colina alta sin control de temperatura, y aún así lograr lecturas con una precisión marginal de 1/10. [9] [10]
Otro interferómetro de trayectoria común útil en pruebas de lentes y diagnóstico de flujo de fluidos es el interferómetro de difracción puntual (PDI), inventado por Linnik en 1933. [11] [12] El haz de referencia se genera por difracción desde un pequeño orificio, de aproximadamente la mitad del diámetro. del disco Airy , en una placa semitransparente. La figura 1 ilustra un frente de onda aberrado enfocado en el orificio. El haz de referencia difractado y la onda de prueba transmitida interfieren formando franjas. El diseño de ruta común del PDI aporta una serie de ventajas importantes. (1) Sólo se requiere una única trayectoria láser en lugar de las dos trayectorias requeridas por los diseños de Mach-Zehnder o Michelson. Esta ventaja puede ser muy importante en grandes instalaciones interferométricas, como túneles de viento que tienen largos caminos ópticos a través de medios turbulentos. (2) El diseño de ruta común utiliza menos componentes ópticos que los diseños de ruta doble, lo que facilita mucho la alineación y reduce el costo, el tamaño y el peso, especialmente para configuraciones grandes. [13] (3) Si bien la precisión de un diseño de doble trayectoria depende de la precisión con la que se calcula el elemento de referencia, un diseño cuidadoso permite que el haz de referencia generado del PDI tenga una precisión garantizada. [14] Una desventaja es que la cantidad de luz que pasa a través del orificio depende de qué tan bien se pueda enfocar la luz en el orificio. Si el frente de onda incidente está muy aberrado, es posible que pase muy poca luz. [15] El PDI se ha utilizado en diversas aplicaciones de óptica adaptativa . [16] [17]
La interferometría de corte lateral es un método de autorreferencia de detección de frente de onda. En lugar de comparar un frente de onda con un frente de onda de referencia de trayectoria separada, la interferometría de corte lateral interfiere un frente de onda con una versión desplazada de sí mismo. Como resultado, es sensible a la pendiente de un frente de onda, no a la forma del frente de onda en sí . El interferómetro de placas paralelas planas ilustrado tiene longitudes de trayectoria desiguales para los haces de prueba y de referencia; debido a esto, debe usarse con luz altamente monocromática (láser). Normalmente se utiliza sin ningún recubrimiento en ninguna de las superficies, para minimizar los reflejos fantasma. Un frente de onda aberrado de una lente bajo prueba se refleja desde la parte delantera y trasera de la placa para formar el patrón de interferencia. Las variaciones de este diseño básico permiten probar los espejos. Otras formas de interferómetro de corte lateral, basadas en los diseños de Jamin , Michelson , Mach-Zehnder y otros interferómetros, tienen trayectorias compensadas y pueden usarse con luz blanca. [18] Además de las pruebas ópticas, las aplicaciones de la interferometría de corte lateral han incluido análisis de películas delgadas, difusión térmica y de masa en materiales transparentes, índice de refracción y gradiente de medición del índice de refracción, pruebas de colimación y óptica adaptativa. [19] [20] Los interferómetros de corte, un marco general que incluye los interferómetros de corte lateral, Hartmann, Shack-Hartmann , corte rotacional, corte plegable y enmascaramiento de apertura , se utilizan en la mayoría de los sensores de frente de onda desarrollados industrialmente. [21]
Desde la perspectiva moderna, el resultado del experimento de la doble rendija de Young (ver Fig. 2) apunta claramente hacia la naturaleza ondulatoria de la luz, pero ese no era el caso a principios del siglo XIX. Después de todo, Newton había observado lo que ahora se reconoce como fenómenos de difracción y escribió sobre ellos en su Tercer Libro de Óptica [22] , interpretándolos en términos de su teoría corpuscular de la luz . Los contemporáneos de Young objetaron que sus resultados podían representar simplemente efectos de difracción de los bordes de las rendijas, que en principio no eran diferentes de las franjas que Newton había observado anteriormente. Augustin Fresnel , quien apoyó la teoría ondulatoria, realizó una serie de experimentos para demostrar efectos de interferencia que no podían explicarse simplemente como resultado de la difracción de bordes. El más notable de ellos fue el uso de un biprisma para crear dos fuentes virtuales de interferencia mediante refracción.
Una versión electrónica del biprisma de Fresnel se utiliza en holografía electrónica , una técnica de imágenes que registra fotográficamente el patrón de interferencia electrónica de un objeto. Luego, el holograma puede iluminarse con un láser, lo que da como resultado una imagen muy ampliada del objeto original, aunque actualmente se prefiere la reconstrucción numérica de los hologramas. [23] Esta técnica fue desarrollada para permitir una mayor resolución en microscopía electrónica de la que es posible utilizando técnicas de imágenes convencionales. La resolución de la microscopía electrónica convencional no está limitada por la longitud de onda de los electrones, sino por las grandes aberraciones de las lentes electrónicas. [24]
La figura 3 muestra la disposición básica de un microscopio electrónico de interferencia. El biprisma electrónico consta de un fino filamento eléctrico cargado positivamente (representado como un punto en la figura) sujeto por dos electrodos de placa a potencial de tierra. El filamento, que generalmente no tiene más de 1 µm de diámetro, suele ser una fibra de cuarzo recubierta de oro. Al colocar la muestra fuera del eje del haz de electrones, el frente de onda de la muestra difractada y el frente de onda de referencia se combinan para crear el holograma.
El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) constaba de dos interferómetros Michelson-Fabry-Pérot de 4 km y funcionaba con un nivel de potencia de unos 100 vatios de potencia láser en el divisor del haz. Una actualización actualmente en curso a Advanced LIGO requerirá varios kilovatios de potencia del láser, y los científicos tendrán que lidiar con la distorsión térmica, la variación de frecuencia de los láseres, el desplazamiento de los espejos y la birrefringencia inducida térmicamente .
Se están explorando una variedad de sistemas ópticos competidores para mejoras de tercera generación más allá de Advanced LIGO. Una de estas topologías en competencia ha sido el diseño de Sagnac de área cero. Como se señaló anteriormente, los interferómetros de Sagnac son, de primer orden, insensibles a cualquier desplazamiento estático o de baja frecuencia de sus componentes ópticos, y las franjas tampoco se ven afectadas por variaciones menores de frecuencia en los láseres o la birrefringencia. Se ha propuesto una variante de área cero del interferómetro Sagnac para el LIGO de tercera generación. La Fig. 1 muestra cómo dirigiendo la luz a través de dos bucles de sentido opuesto se obtiene un área efectiva cero. Por tanto, esta variante del interferómetro de Sagnac es insensible a la rotación o a la deriva de baja frecuencia de sus componentes ópticos, manteniendo al mismo tiempo una alta sensibilidad a eventos transitorios de interés astronómico. [25] Sin embargo, muchas consideraciones están involucradas en la elección de un sistema óptico y, a pesar de la superioridad del Sagnac de área cero en ciertas áreas, todavía no existe un consenso sobre la elección del sistema óptico para LIGO de tercera generación. [26] [27]
Una alternativa de ruta común al interferómetro Twyman-Green es el interferómetro de placa de dispersión, [28] inventado por JM Burch en 1953. [29] El interferómetro Twyman-Green, un interferómetro de doble ruta, es una variante del interferómetro de Michelson que se usa comúnmente para probar la precisión de superficies ópticas y lentes. [30] [31] Dado que las trayectorias de referencia y de muestra son divergentes, esta forma de interferómetro es extremadamente sensible a la vibración y a la turbulencia atmosférica en las trayectorias de la luz, las cuales interfieren con las mediciones ópticas. Las mediciones de precisión de una superficie óptica también dependen en gran medida de la calidad de la óptica auxiliar.
Debido a que el interferómetro de placa de dispersión es un interferómetro de trayectoria común, las trayectorias de referencia y de prueba coinciden automáticamente de modo que se puede obtener fácilmente una franja de orden cero incluso con luz blanca. Es relativamente insensible a las vibraciones y turbulencias, y la calidad de la óptica auxiliar no es tan crítica como en una configuración Twyman-Green. [28] Sin embargo, el contraste marginal es menor y un punto de acceso característico puede hacer que el interferómetro de placa de dispersión no sea adecuado para diversos fines. Se han descrito una variedad de otros interferómetros de camino común útiles para pruebas ópticas. [15] [32]
La figura 1 muestra el interferómetro configurado para probar un espejo esférico. Se coloca una placa de dispersión cerca del centro de curvatura del espejo bajo prueba. Esta placa tiene un patrón de pequeñas manchas opacas que están dispuestas en la placa con simetría de inversión pero que, por lo demás, tienen forma y distribución aleatorias. (1) Una cierta fracción de la luz pasa directamente a través de la placa de dispersión, es reflejada por el espejo, pero luego se dispersa cuando encuentra la placa de dispersión por segunda vez. Esta luz de dispersión directa forma el haz de referencia. (2) Una cierta fracción de la luz se dispersa al pasar a través de la placa de dispersión, es reflejada por el espejo, pero luego pasa directamente a través de la placa de dispersión cuando se encuentra con la placa de dispersión por segunda vez. Esta luz directa dispersada forma el haz de prueba, que se combina con el haz de referencia para formar franjas de interferencia. (3) Una cierta fracción de la luz pasa directamente a través de la placa de dispersión en ambos encuentros. Esta luz directa-directa genera un pequeño punto de acceso indeseable. (4) Una cierta fracción de la luz se dispersa en ambos encuentros con la placa de dispersión. Esta luz dispersada reduce el contraste general del patrón de interferencia. [33]
El interferómetro de baño (Fig. 4) se puede utilizar para probar espejos telescópicos. Generalmente consta de un divisor de haz, un plano óptico, un divergente biconvexo de distancia focal corta y una fuente de luz como un láser semiconductor. [34]
En la literatura se han descrito otras configuraciones de interferómetro de camino común, como el interferómetro de doble foco y el interferómetro de prisma de Saunders, [15] y muchos otros. Los interferómetros de camino común han demostrado ser útiles en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la tomografía de coherencia óptica, [1] la holografía digital, [35] y la medición de retrasos de fase. [36] Su relativa resiliencia a las vibraciones ambientales es una característica sobresaliente común y, a veces, pueden usarse cuando no hay un haz de referencia disponible; sin embargo, dependiendo de su topología, sus patrones de interferencia pueden ser más complicados de interpretar que los generados por interferómetros de doble trayecto.
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite web}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )