Un interferómetro de trayectoria 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. Algunos ejemplos incluyen el interferómetro de Sagnac , el interferómetro de contraste de fase de Zernike y el interferómetro de difracción puntual . Un interferómetro de trayectoria común es generalmente más resistente a las vibraciones ambientales que un "interferómetro de doble trayectoria" como el interferómetro de Michelson o el interferómetro de Mach-Zehnder . [1] Aunque viajan a lo largo del mismo camino, 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. Por ello, los interferómetros de doble trayectoria se han utilizado ampliamente en la ciencia y la industria para la medición de pequeños desplazamientos, [2] cambios del índice de refracción, [3] irregularidades de la superficie y similares. Sin embargo, existen aplicaciones en las que la sensibilidad al desplazamiento relativo o a las diferencias del índice de refracción entre los brazos de referencia y de muestra no es deseable; en cambio, puede interesar la medición de alguna otra propiedad.
Los interferómetros de Sagnac no son adecuados para medir longitudes o cambios de longitud. En un interferómetro de Sagnac, ambos haces que salen del divisor de haz recorren 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 de Sagnac es, en 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 estar ligeramente separados para que ya no sigan una trayectoria perfectamente común. Incluso con una ligera separación de haces, los interferómetros de Sagnac ofrecen un excelente contraste y estabilidad de franjas. [4] Son posibles dos topologías básicas del interferómetro de Sagnac, que difieren en si hay un número par o impar de reflexiones en cada trayectoria. En un interferómetro de Sagnac con un número impar de reflexiones, como el ilustrado, los frentes de onda de los haces que viajan en direcciones opuestas 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 creyó erróneamente que su capacidad para detectar un "remolino 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 que giran en sentido contrario, y los giróscopos 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 unidades pequeñas y medianas detectan fácilmente la rotación de la Tierra. [7] Los giróscopos láser de anillo (no ilustrados) son otra forma de sensor de rotación de Sagnac que tiene aplicaciones importantes en los sistemas de guía inercial. [6]
Debido a su excepcional contraste y estabilidad de franjas, los interferómetros que utilizan la configuración Sagnac desempeñaron un papel importante en los experimentos que llevaron al descubrimiento de la relatividad especial por parte de Einstein , y en la posterior defensa de la relatividad contra 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 par de tan alta estabilidad, que incluso colocar una cerilla encendida en el camino de la luz no causó un desplazamiento de franjas artefactual. [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. Podría 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 de 1/10. [9] [10]
Otro interferómetro de trayectoria común útil en pruebas de lentes y diagnósticos 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 de un pequeño orificio, de aproximadamente la mitad del diámetro del disco de 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 para formar franjas. El diseño de trayectoria común del PDI le aporta una serie de ventajas importantes. (1) Solo 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 configuraciones interferométricas, como en túneles de viento que tienen trayectorias ópticas largas a través de medios turbulentos. (2) El diseño de trayectoria común utiliza menos componentes ópticos que los diseños de trayectoria doble, lo que hace que la alineación sea mucho más fácil, además de reducir 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 lo bien que se pueda enfocar la luz sobre el orificio. Si el frente de onda incidente está severamente aberrado, puede pasar muy poca luz. [15] El PDI se ha utilizado en varias aplicaciones de óptica adaptativa . [16] [17]
La interferometría de cizallamiento lateral es un método de autorreferencia para la detección de frentes de onda. En lugar de comparar un frente de onda con un frente de onda de referencia de trayectoria independiente, la interferometría de cizallamiento lateral interfiere en 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 usa 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 espejos. Otras formas de interferómetro de cizallamiento lateral, basadas en los diseños de interferómetros Jamin , Michelson , Mach–Zehnder y otros, 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 el análisis de películas delgadas, la difusión térmica y de masa en materiales transparentes, la medición del índice de refracción y del gradiente del índice de refracción, las pruebas de colimación y la óptica adaptativa. [19] [20] Los interferómetros de corte, un marco general que incluye los interferómetros de corte lateral, Hartmann, Shack-Hartmann , de corte rotacional, de corte plegable y de 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. Newton, después de todo, 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 plantearon objeciones de que sus resultados podrían simplemente representar efectos de difracción de los bordes de las rendijas, no diferentes en principio de las franjas que Newton había observado previamente. 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 borde. El más notable de ellos fue su uso de un biprisma para crear dos fuentes de interferencia virtuales por refracción.
Una versión electrónica del biprisma de Fresnel se utiliza en la holografía electrónica , una técnica de obtención de imágenes que registra fotográficamente el patrón de interferencia de electrones de un objeto. El holograma puede entonces iluminarse con un láser, lo que da como resultado una imagen muy ampliada del objeto original, aunque la preferencia actual es la reconstrucción numérica de los hologramas. [23] Esta técnica se desarrolló para permitir una mayor resolución en la microscopía electrónica de la que es posible utilizando técnicas de obtención 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 consiste en un filamento eléctrico fino con carga positiva (representado como un punto en la figura) rodeado 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 en el 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 a un nivel de potencia de unos 100 vatios de potencia láser en el divisor de haz. Una actualización actualmente en curso de Advanced LIGO requerirá varios kilovatios de potencia láser y los científicos tendrán que lidiar con la distorsión térmica, la variación de frecuencia de los láseres, el desplazamiento del espejo y la birrefringencia inducida térmicamente .
Se están explorando diversos sistemas ópticos en competencia para mejoras de tercera generación más allá de Advanced LIGO. Una de estas topologías en competencia ha sido el diseño Sagnac de área cero. Como se señaló anteriormente, los interferómetros Sagnac son, en primer orden, insensibles a cualquier desplazamiento estático o de baja frecuencia de sus componentes ópticos, y las franjas no se ven afectadas por variaciones de frecuencia menores en los láseres o la birrefringencia. Se ha propuesto una variante de área cero del interferómetro Sagnac para LIGO de tercera generación. La figura 1 muestra cómo al dirigir la luz a través de dos bucles de sentido opuesto, se obtiene un área efectiva de cero. Esta variante del interferómetro Sagnac es, por lo tanto, insensible a la rotación o la deriva de baja frecuencia de sus componentes ópticos, al tiempo que mantiene una alta sensibilidad a eventos transitorios de interés astronómico. [25] Sin embargo, hay muchas consideraciones involucradas en la elección de un sistema óptico y, a pesar de la superioridad del Sagnac de área cero en ciertas áreas, aún no hay una elección de consenso del sistema óptico para LIGO de tercera generación. [26] [27]
Una alternativa 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 trayectoria, es una variante del interferómetro de Michelson que se utiliza 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 se ajustan automáticamente de modo que se puede obtener fácilmente una franja de orden cero incluso con luz blanca. Es relativamente insensible a la vibración y la turbulencia, y la calidad de la óptica auxiliar no es tan crítica como en una configuración Twyman-Green. [28] Sin embargo, el contraste de franjas es menor y un punto caliente característico puede hacer que el interferómetro de placa de dispersión no sea adecuado para diversos fines. Se han descrito varios otros interferómetros de trayectoria común útiles para pruebas ópticas. [15] [32]
La figura 1 muestra el interferómetro preparado 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 pequeños parches opacos que están dispuestos en la placa con simetría de inversión pero que, por lo demás, tienen una forma y una distribución aleatorias. (1) Una determinada 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 dispersa directa forma el haz de referencia. (2) Una determinada fracción de la luz se dispersa cuando pasa a través de la placa de dispersión, es reflejada por el espejo, pero luego pasa directamente a través de la placa de dispersión cuando encuentra la placa de dispersión por segunda vez. Esta luz dispersa directa forma el haz de prueba, que se combina con el haz de referencia para formar franjas de interferencia. (3) Una determinada fracción de la luz pasa directamente a través de la placa de dispersión en ambos encuentros. Esta luz directa-directa genera un pequeño punto caliente no deseado. (4) Una determinada fracción de la luz se dispersa en ambos encuentros con la placa de dispersión. Esta luz dispersa-dispersada reduce el contraste general del patrón de interferencia. [33]
El interferómetro de baño (Fig. 4) se puede utilizar para probar los espejos de los telescopios. Generalmente consta de un divisor de haz, un plano óptico, un divergente biconvexo de longitud focal corta y una fuente de luz como un láser semiconductor. [34]
En la literatura se han descrito otras configuraciones de interferómetros de trayectoria común, como el interferómetro de doble foco y el interferómetro de prisma de Saunders, [15] y muchos otros. Los interferómetros de trayectoria común han demostrado ser útiles en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas la tomografía de coherencia óptica, [1] la holografía digital, [35] y la medición de retardos de fase. [36] Su relativa resiliencia a la vibración ambiental es una característica sobresaliente común, y a veces se pueden utilizar cuando no se dispone de un haz de referencia; sin embargo, dependiendo de su topología, sus patrones de interferencia pueden ser más complicados de interpretar que los generados por los interferómetros de trayectoria doble.
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