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Interferometría

Figura 1. Trayectoria de la luz a través de un interferómetro de Michelson . Los dos rayos de luz con una fuente común se combinan en el espejo semiplateado para llegar al detector. Pueden interferir de forma constructiva (aumentando su intensidad) si sus ondas de luz llegan en fase, o de forma destructiva (debilitándose en intensidad) si llegan fuera de fase, dependiendo de las distancias exactas entre los tres espejos.

La interferometría es una técnica que utiliza la interferencia de ondas superpuestas para extraer información. [1] La interferometría normalmente utiliza ondas electromagnéticas y es una técnica de investigación importante en los campos de la astronomía , la fibra óptica , la metrología de ingeniería , la metrología óptica, la oceanografía , la sismología , la espectroscopia (y sus aplicaciones a la química ), la mecánica cuántica , la física nuclear y de partículas , la física del plasma , las interacciones biomoleculares , el perfilado de superficies, la microfluídica , la medición de tensión/deformación mecánica, la velocimetría , la optometría y la elaboración de hologramas . [2] : 1–2 

Los interferómetros son dispositivos que extraen información de las interferencias. Se utilizan ampliamente en la ciencia y la industria para la medición de desplazamientos microscópicos, cambios en el índice de refracción e irregularidades de la superficie. En el caso de la mayoría de los interferómetros, la luz de una sola fuente se divide en dos haces que viajan en diferentes trayectorias ópticas , que luego se combinan nuevamente para producir interferencia; dos fuentes incoherentes también pueden interferir en algunas circunstancias. [3] Las franjas de interferencia resultantes brindan información sobre la diferencia en las longitudes de las trayectorias ópticas . En la ciencia analítica, los interferómetros se utilizan para medir longitudes y la forma de los componentes ópticos con precisión nanométrica; son los instrumentos de medición de longitud de mayor precisión que existen. En la espectroscopia por transformada de Fourier se utilizan para analizar la luz que contiene características de absorción o emisión asociadas con una sustancia o mezcla. Un interferómetro astronómico consta de dos o más telescopios separados que combinan sus señales, ofreciendo una resolución equivalente a la de un telescopio de diámetro igual a la mayor separación entre sus elementos individuales.

Principios básicos

Figura 2. Formación de franjas en un interferómetro de Michelson
Figura 3. Franjas coloreadas y monocromáticas en un interferómetro de Michelson: (a) Franjas de luz blanca donde los dos haces difieren en el número de inversiones de fase; (b) Franjas de luz blanca donde los dos haces han experimentado el mismo número de inversiones de fase; (c) Patrón de franjas utilizando luz monocromática ( líneas D de sodio )

La interferometría utiliza el principio de superposición para combinar ondas de forma que el resultado de su combinación tenga alguna propiedad significativa que sea diagnóstica del estado original de las ondas. Esto funciona porque cuando se combinan dos ondas con la misma frecuencia , el patrón de intensidad resultante está determinado por la diferencia de fase entre las dos ondas: las ondas que están en fase sufrirán interferencia constructiva, mientras que las ondas que están desfasadas sufrirán interferencia destructiva. Las ondas que no están completamente en fase ni completamente desfasadas tendrán un patrón de intensidad intermedio, que se puede utilizar para determinar su diferencia de fase relativa. La mayoría de los interferómetros utilizan luz o alguna otra forma de onda electromagnética . [2] : 3–12 

Por lo general (ver la Fig. 1, la conocida configuración de Michelson) un único haz de luz coherente entrante se dividirá en dos haces idénticos mediante un divisor de haz (un espejo parcialmente reflectante). Cada uno de estos haces recorre una ruta diferente, llamada camino, y se recombinan antes de llegar a un detector. La diferencia de camino, la diferencia en la distancia recorrida por cada haz, crea una diferencia de fase entre ellos. Es esta diferencia de fase introducida la que crea el patrón de interferencia entre las ondas inicialmente idénticas. [2] : 14–17  Si un único haz se ha dividido a lo largo de dos caminos, entonces la diferencia de fase es diagnóstica de cualquier cosa que cambie la fase a lo largo de los caminos. Esto podría ser un cambio físico en la longitud del camino en sí o un cambio en el índice de refracción a lo largo del camino. [2] : 93–103 

Como se ve en las figuras 2a y 2b, el observador tiene una visión directa del espejo M 1 visto a través del divisor de haz, y ve una imagen reflejada M ′ 2 del espejo M 2 . Las franjas se pueden interpretar como el resultado de la interferencia entre la luz que proviene de las dos imágenes virtuales S ′ 1 y S ′ 2 de la fuente original S . Las características del patrón de interferencia dependen de la naturaleza de la fuente de luz y de la orientación precisa de los espejos y del divisor de haz. En la figura 2a, los elementos ópticos están orientados de modo que S ′ 1 y S ′ 2 estén en línea con el observador, y el patrón de interferencia resultante consiste en círculos centrados en la normal a M 1 y M' 2 . Si, como en la figura 2b, M 1 y M ′ 2 están inclinados entre sí, las franjas de interferencia generalmente adoptarán la forma de secciones cónicas (hipérbolas), pero si M ′ 1 y M ′ 2 se superponen, las franjas cercanas al eje serán rectas, paralelas e igualmente espaciadas. Si S es una fuente extendida en lugar de una fuente puntual como se ilustra, las franjas de la figura 2a deben observarse con un telescopio fijado al infinito, mientras que las franjas de la figura 2b se localizarán en los espejos. [2] : 17 

El uso de luz blanca dará como resultado un patrón de franjas de colores (ver Fig. 3). [2] : 26  La franja central que representa la misma longitud de trayectoria puede ser clara u oscura dependiendo de la cantidad de inversiones de fase que experimenten los dos haces a medida que atraviesan el sistema óptico. [2] : 26, 171–172  (Ver interferómetro de Michelson para una discusión sobre esto).

Historia

La ley de interferencia de la luz fue descrita por Thomas Young en su conferencia Bakerian de 1803 ante la Royal Society de Londres. [4] Como preparación para la conferencia, Young realizó un experimento de doble apertura que demostró la existencia de franjas de interferencia. Su interpretación en términos de interferencia de ondas fue rechazada por la mayoría de los científicos de la época debido al predominio de la teoría corpuscular de la luz de Isaac Newton propuesta un siglo antes. [5]

El ingeniero francés Augustin-Jean Fresnel , que desconocía los resultados de Young, comenzó a trabajar en una teoría ondulatoria de la luz y la interferencia y conoció a François Arago . Entre 1816 y 1818, Fresnel y Arago realizaron experimentos de interferencia en el Observatorio de París. Durante este tiempo, Arago diseñó y construyó el primer interferómetro, utilizándolo para medir el índice de refracción del aire húmedo en relación con el aire seco, lo que planteaba un problema potencial para las observaciones astronómicas de las posiciones de las estrellas. [6] El éxito de la teoría ondulatoria de la luz de Fresnel quedó establecido en sus memorias premiadas de 1819, que predecían y medían patrones de difracción. El interferómetro de Arago fue empleado más tarde en 1850 por Leon Foucault para medir la velocidad de la luz en el aire en relación con el agua, y fue utilizado nuevamente en 1851 por Hippolyte Fizeau para medir el efecto del arrastre de Fresnel en la velocidad de la luz en agua en movimiento. [7]

Jules Jamin desarrolló el primer interferómetro de haz único (que no requería una abertura divisoria como lo hacía el interferómetro Arago) en 1856. En 1881, el físico estadounidense Albert A. Michelson , mientras visitaba a Hermann von Helmholtz en Berlín, inventó el interferómetro que lleva su nombre, el Interferómetro de Michelson , para buscar efectos del movimiento de la Tierra en la velocidad de la luz. Los resultados nulos de Michelson realizados en el sótano del Observatorio de Potsdam en las afueras de Berlín (el tráfico de caballos en el centro de Berlín creaba demasiadas vibraciones), y sus resultados nulos posteriores más precisos observados con Edward W. Morley en el Case College en Cleveland, Ohio, contribuyeron a la creciente crisis del éter luminífero. Einstein afirmó que fue la medición de Fizeau de la velocidad de la luz en agua en movimiento utilizando el interferómetro Arago lo que inspiró su teoría de la adición relativista de velocidades. [8]

Categorías

Los interferómetros y las técnicas interferométricas pueden clasificarse según una variedad de criterios:

Detección homodina versus heterodina

En la detección homodina , la interferencia se produce entre dos haces de la misma longitud de onda (o frecuencia portadora ). La diferencia de fase entre los dos haces produce un cambio en la intensidad de la luz en el detector. Se mide la intensidad de la luz resultante después de mezclar estos dos haces, o se observa o registra el patrón de franjas de interferencia. [9] La mayoría de los interferómetros analizados en este artículo pertenecen a esta categoría.

La técnica heterodina se utiliza para (1) cambiar una señal de entrada a un nuevo rango de frecuencia, así como (2) amplificar una señal de entrada débil (suponiendo el uso de un mezclador activo ). Una señal de entrada débil de frecuencia f 1 se mezcla con una frecuencia de referencia fuerte f 2 de un oscilador local (LO). La combinación no lineal de las señales de entrada crea dos nuevas señales, una en la suma f 1  + f 2 de las dos frecuencias, y la otra en la diferencia f 1  − f 2 . Estas nuevas frecuencias se denominan heterodinos . Normalmente, solo se desea una de las nuevas frecuencias, y la otra señal se filtra de la salida del mezclador. La señal de salida tendrá una intensidad proporcional al producto de las amplitudes de las señales de entrada. [9]

La aplicación más importante y ampliamente utilizada de la técnica heterodina se encuentra en el receptor superheterodino (superhet), inventado en 1917-18 por el ingeniero estadounidense Edwin Howard Armstrong y el ingeniero francés Lucien Lévy . En este circuito, la señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla con una señal de un oscilador local (LO) y se convierte mediante la técnica heterodina en una señal de frecuencia fija más baja llamada frecuencia intermedia (FI). Esta FI se amplifica y se filtra, antes de aplicarse a un detector que extrae la señal de audio, que se envía al altavoz. [10]

La detección heterodina óptica es una extensión de la técnica heterodina a frecuencias más altas (visibles). [9] Si bien la interferometría heterodina óptica generalmente se realiza en un solo punto, también es posible realizar este campo amplio. [11]

Camino doble versus camino común

Figura 4. Cuatro ejemplos de interferómetros de trayectoria común

Un interferómetro de doble trayectoria es aquel en el que el haz de referencia y el haz de muestra viajan a lo largo de trayectorias divergentes. Algunos ejemplos son el interferómetro de Michelson , el interferómetro de Twyman-Green y el interferómetro de Mach-Zehnder . Después de ser perturbado por la interacción con la muestra bajo prueba, el haz de muestra se recombina con el haz de referencia para crear un patrón de interferencia que luego puede interpretarse. [2] : 13–22 

Un interferómetro de trayectoria común es una clase de interferómetro en el que el haz de referencia y el haz de muestra recorren la misma trayectoria. La figura 4 ilustra el interferómetro de Sagnac , el giroscopio de fibra óptica , el interferómetro de difracción puntual y el interferómetro de cizallamiento lateral . Otros ejemplos de interferómetros de trayectoria común incluyen el microscopio de contraste de fase Zernike , el biprisma de Fresnel , el interferómetro de área cero de Sagnac y el interferómetro de placa de dispersión . [12]

División del frente de onda versus división de amplitud

Inferómetros de división de frente de onda

Un interferómetro de división de frente de onda divide un frente de onda de luz que emerge de un punto o una rendija estrecha ( es decir, luz coherente espacialmente) y, después de permitir que las dos partes del frente de onda viajen por caminos diferentes, les permite recombinarse. [13] La figura 5 ilustra el experimento de interferencia de Young y el espejo de Lloyd . Otros ejemplos de interferómetros de división de frente de onda incluyen el biprisma de Fresnel, el Billet Bi-Lens, el interferómetro de Michelson con rejilla de difracción, [14] y el interferómetro de Rayleigh . [15]

Figura 5. Dos interferómetros de división de frente de onda

En 1803, el experimento de interferencia de Young jugó un papel importante en la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz. Si se utiliza luz blanca en el experimento de Young, el resultado es una banda central blanca de interferencia constructiva que corresponde a la misma longitud de trayectoria desde las dos rendijas, rodeada por un patrón simétrico de franjas coloreadas de intensidad decreciente. Además de la radiación electromagnética continua, el experimento de Young se ha realizado con fotones individuales, [16] con electrones, [17] [18] y con moléculas de buckyball lo suficientemente grandes como para ser vistas bajo un microscopio electrónico . [19]

El espejo de Lloyd genera franjas de interferencia combinando la luz directa de una fuente (líneas azules) y la luz de la imagen reflejada de la fuente (líneas rojas) de un espejo colocado en incidencia rasante. El resultado es un patrón asimétrico de franjas. La banda de igual longitud de trayectoria, más cercana al espejo, es oscura en lugar de brillante. En 1834, Humphrey Lloyd interpretó este efecto como prueba de que la fase de un haz reflejado en la superficie frontal está invertida. [20] [21]

Inferómetros de división de amplitud

Figura 6. Tres interferómetros de división de amplitud: Fizeau , Mach–Zehnder y Fabry Pérot .

Un interferómetro de división de amplitud utiliza un reflector parcial para dividir la amplitud de la onda incidente en haces separados que se separan y se recombinan.

El interferómetro Fizeau se muestra tal como podría configurarse para probar una placa óptica . Se coloca una placa de referencia de medidas precisas sobre la placa que se está probando, separada por espaciadores estrechos. La placa de referencia está ligeramente biselada (solo se necesita una fracción de grado de bisel) para evitar que la superficie posterior de la placa produzca franjas de interferencia. Separar las placas de prueba y de referencia permite que las dos placas se inclinen una con respecto a la otra. Al ajustar la inclinación, que agrega un gradiente de fase controlado al patrón de franjas, se puede controlar el espaciado y la dirección de las franjas, de modo que se puede obtener una serie de franjas casi paralelas de fácil interpretación en lugar de un remolino complejo de líneas de contorno. Sin embargo, separar las placas requiere que la luz de iluminación esté colimada. La figura 6 muestra un haz colimado de luz monocromática que ilumina las dos placas y un divisor de haz que permite ver las franjas en el eje. [22] [23]

El interferómetro de Mach-Zehnder es un instrumento más versátil que el interferómetro de Michelson. Cada uno de los caminos de luz bien separados se recorre solo una vez, y las franjas se pueden ajustar para que se localicen en cualquier plano deseado. [2] : 18  Normalmente, las franjas se ajustarían para que se encuentren en el mismo plano que el objeto de prueba, de modo que las franjas y el objeto de prueba se puedan fotografiar juntos. Si se decide producir franjas en luz blanca, entonces, dado que la luz blanca tiene una longitud de coherencia limitada , del orden de micrómetros , se debe tener mucho cuidado para igualar los caminos ópticos o no se verán franjas. Como se ilustra en la Fig. 6, se colocaría una celda de compensación en el camino del haz de referencia para que coincida con la celda de prueba. Nótese también la orientación precisa de los divisores de haz. Las superficies reflectantes de los divisores de haz se orientarían de modo que los haces de prueba y de referencia pasen a través de una cantidad igual de vidrio. En esta orientación, los haces de prueba y de referencia experimentan dos reflexiones en la superficie frontal, lo que da como resultado la misma cantidad de inversiones de fase. El resultado es que la luz que recorre una longitud de trayectoria óptica igual en los haces de prueba y de referencia produce una franja de luz blanca de interferencia constructiva. [24] [25]

El corazón del interferómetro Fabry-Pérot es un par de planos ópticos de vidrio parcialmente plateados espaciados varios milímetros a centímetros entre sí con las superficies plateadas enfrentadas. (Alternativamente, un etalón Fabry-Pérot utiliza una placa transparente con dos superficies reflectantes paralelas). [2] : 35–36  Al igual que con el interferómetro Fizeau, los planos están ligeramente biselados. En un sistema típico, la iluminación es proporcionada por una fuente difusa colocada en el plano focal de una lente colimadora. Una lente de enfoque produce lo que sería una imagen invertida de la fuente si los planos emparejados no estuvieran presentes, es decir, en ausencia de los planos emparejados, toda la luz emitida desde el punto A que pasa a través del sistema óptico se enfocaría en el punto A'. En la Fig. 6, solo se traza un rayo emitido desde el punto A en la fuente. A medida que el rayo pasa a través de los planos emparejados, se refleja múltiples veces para producir múltiples rayos transmitidos que son recogidos por la lente de enfoque y llevados al punto A' en la pantalla. El patrón de interferencia completo tiene la apariencia de un conjunto de anillos concéntricos. La nitidez de los anillos depende de la reflectividad de las superficies planas. Si la reflectividad es alta, lo que da como resultado un factor Q alto (es decir, alta fineza), la luz monocromática produce un conjunto de anillos estrechos y brillantes contra un fondo oscuro. [26] En la Fig. 6, la imagen de baja fineza corresponde a una reflectividad de 0,04 (es decir, superficies sin platear) frente a una reflectividad de 0,95 para la imagen de alta fineza.

La figura 6 ilustra los interferómetros Fizeau, Mach–Zehnder y Fabry–Pérot. Otros ejemplos de interferómetros de división de amplitud incluyen el interferómetro Michelson , el Twyman–Green , el Laser Unequal Path y el Linnik . [27]

Michelson-Morley

Michelson y Morley (1887) [28] y otros experimentadores tempranos que usaron técnicas interferométricas en un intento de medir las propiedades del éter luminífero , usaron luz monocromática solo para configurar inicialmente su equipo, cambiando siempre a luz blanca para las mediciones reales. La razón es que las mediciones se registraban visualmente. La luz monocromática daría como resultado un patrón de franjas uniforme. Al carecer de medios modernos de control de la temperatura ambiental , los experimentadores lucharon con la deriva continua de las franjas incluso aunque el interferómetro pudiera estar instalado en un sótano. Dado que las franjas ocasionalmente desaparecían debido a las vibraciones del tráfico de caballos, tormentas eléctricas distantes y similares, sería fácil para un observador "perderse" cuando las franjas regresaran a la visibilidad. Las ventajas de la luz blanca, que producía un patrón de franjas de color distintivo, superaban con creces las dificultades de alinear el aparato debido a su baja longitud de coherencia . [29] Este fue un ejemplo temprano del uso de luz blanca para resolver la "ambigüedad de 2 pi".

Aplicaciones

Física y astronomía

La interferometría se utiliza en radioastronomía, con desfases temporales de D sen θ

En física, uno de los experimentos más importantes de finales del siglo XIX fue el famoso "experimento fallido" de Michelson y Morley , que proporcionó evidencia de la relatividad especial . Las repeticiones recientes del experimento de Michelson-Morley realizan mediciones heterodinas de frecuencias de batido de resonadores ópticos criogénicos cruzados . La figura 7 ilustra un experimento de resonador realizado por Müller et al. en 2003. [30] Dos resonadores ópticos construidos a partir de zafiro cristalino, que controlan las frecuencias de dos láseres, se colocaron en ángulos rectos dentro de un criostato de helio. Un comparador de frecuencia midió la frecuencia de batido de las salidas combinadas de los dos resonadores. A partir de 2009 , la precisión con la que se puede excluir la anisotropía de la velocidad de la luz en los experimentos con resonadores está en el nivel de 10 −17 . [31] [32]

Los interferómetros de Michelson se utilizan en filtros ópticos de banda estrecha sintonizables [33] y como componente de hardware principal de los espectrómetros de transformada de Fourier . [34]

Cuando se utilizan como filtros de banda estrecha sintonizables, los interferómetros de Michelson presentan una serie de ventajas y desventajas en comparación con tecnologías de la competencia, como los interferómetros Fabry-Pérot o los filtros Lyot . Los interferómetros de Michelson tienen el mayor campo de visión para una longitud de onda específica y su funcionamiento es relativamente sencillo, ya que el ajuste se realiza mediante la rotación mecánica de placas de onda en lugar de mediante el control de alto voltaje de cristales piezoeléctricos o moduladores ópticos de niobato de litio, como se utiliza en un sistema Fabry-Pérot. En comparación con los filtros Lyot, que utilizan elementos birrefringentes, los interferómetros de Michelson tienen una sensibilidad a la temperatura relativamente baja. En el lado negativo, los interferómetros de Michelson tienen un rango de longitud de onda relativamente restringido y requieren el uso de prefiltros que restringen la transmitancia. [35]

La figura 8 ilustra el funcionamiento de un espectrómetro de transformada de Fourier, que es esencialmente un interferómetro de Michelson con un espejo móvil. (Un espectrómetro de transformada de Fourier práctico sustituiría los espejos planos del interferómetro de Michelson convencional por reflectores cúbicos en las esquinas, pero para simplificar, la ilustración no muestra esto). Se genera un interferograma haciendo mediciones de la señal en muchas posiciones discretas del espejo móvil. Una transformada de Fourier convierte el interferograma en un espectro real. [36]

La figura 9 muestra una imagen Doppler de la corona solar realizada con un interferómetro Fabry-Pérot sintonizable para recuperar imágenes de la corona solar en varias longitudes de onda cercanas a la línea verde FeXIV. La imagen es una imagen codificada por colores del desplazamiento Doppler de la línea, que puede estar asociado con la velocidad del plasma coronal hacia la cámara satelital o alejándose de ella.

Los etalones de película delgada Fabry-Pérot se utilizan en filtros de paso de banda estrechos capaces de seleccionar una única línea espectral para la obtención de imágenes; por ejemplo, la línea H-alfa o la línea Ca-K del Sol o las estrellas. La figura 10 muestra una imagen del Sol obtenida con el telescopio de imágenes ultravioleta extremas (EIT) a 195 Ångströms (19,5 nm), que corresponde a una línea espectral de átomos de hierro multiionizados. [37] El EIT utilizó espejos reflectantes revestidos con múltiples capas que estaban recubiertos con capas alternas de un elemento "espaciador" ligero (como el silicio) y un elemento "dispersor" pesado (como el molibdeno). Se colocaron aproximadamente 100 capas de cada tipo en cada espejo, con un espesor de alrededor de 10 nm cada una. El espesor de las capas se controló estrictamente de modo que, a la longitud de onda deseada, los fotones reflejados de cada capa interferían de forma constructiva.

El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) utiliza dos interferómetros Michelson-Fabry-Pérot de 4 km para la detección de ondas gravitacionales . [38] En esta aplicación, la cavidad Fabry-Pérot se utiliza para almacenar fotones durante casi un milisegundo mientras rebotan hacia arriba y hacia abajo entre los espejos. Esto aumenta el tiempo en que una onda gravitacional puede interactuar con la luz, lo que da como resultado una mejor sensibilidad a bajas frecuencias. Se utilizan cavidades más pequeñas, generalmente llamadas limpiadores de modos, para el filtrado espacial y la estabilización de frecuencia del láser principal. La primera observación de ondas gravitacionales ocurrió el 14 de septiembre de 2015. [39]

El espacio de trabajo relativamente grande y de libre acceso del interferómetro de Mach-Zehnder, y su flexibilidad para ubicar las franjas lo han convertido en el interferómetro de elección para visualizar el flujo en túneles de viento, [40] [41] y para estudios de visualización de flujo en general. Se utiliza con frecuencia en los campos de la aerodinámica, la física del plasma y la transferencia de calor para medir los cambios de presión, densidad y temperatura en los gases. [2] : 18, 93–95 

Los interferómetros de Mach-Zehnder también se utilizan para estudiar una de las predicciones más contraintuitivas de la mecánica cuántica, el fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico . [42] [43]

Figura 11. El interferómetro VLA

Un interferómetro astronómico logra observaciones de alta resolución utilizando la técnica de síntesis de apertura , mezclando señales de un grupo de telescopios comparativamente pequeños en lugar de un único telescopio monolítico muy costoso. [44]

Los primeros interferómetros de radiotelescopios utilizaban una única línea de base para la medición. Los interferómetros astronómicos posteriores, como el Very Large Array ilustrado en la Fig. 11, utilizaban conjuntos de telescopios dispuestos en un patrón sobre el terreno. Un número limitado de líneas de base daría como resultado una cobertura insuficiente. Esto se alivió utilizando la rotación de la Tierra para rotar el conjunto en relación con el cielo. De este modo, una única línea de base podía medir información en múltiples orientaciones tomando mediciones repetidas, una técnica llamada síntesis de rotación de la Tierra . Se lograron líneas de base de miles de kilómetros de longitud utilizando interferometría de línea de base muy larga . [44]

ALMA es un interferómetro astronómico ubicado en el llano de Chajnantor [45]

La interferometría óptica astronómica ha tenido que superar una serie de problemas técnicos que no comparte la interferometría con radiotelescopios. Las longitudes de onda cortas de la luz requieren una precisión extrema y estabilidad de construcción. Por ejemplo, la resolución espacial de 1 milisegundo de arco requiere una estabilidad de 0,5 μm en una línea base de 100 m. Las mediciones interferométricas ópticas requieren detectores de alta sensibilidad y bajo ruido que no estuvieron disponibles hasta finales de los años 1990. La "visión" astronómica , la turbulencia que hace que las estrellas titilen, introduce cambios de fase rápidos y aleatorios en la luz entrante, lo que requiere que las velocidades de recopilación de datos sean más rápidas que la velocidad de la turbulencia. [46] [47] A pesar de estas dificultades técnicas, ahora están en funcionamiento tres instalaciones importantes que ofrecen resoluciones de hasta el rango de fracciones de milisegundo de arco. Este vídeo muestra una película ensamblada a partir de imágenes de síntesis de apertura del sistema Beta Lyrae , un sistema binario de estrellas a aproximadamente 960 años luz (290 parsecs) de distancia en la constelación de Lyra, tal como se observó mediante el conjunto CHARA con el instrumento MIRC. El componente más brillante es la estrella primaria, o donante de masa. El componente más débil es el disco grueso que rodea a la estrella secundaria, o ganadora de masa. Los dos componentes están separados por 1 milisegundo de arco. Las distorsiones de marea del donante de masa y del ganador de masa son claramente visibles. [48]

El carácter ondulatorio de la materia puede aprovecharse para construir interferómetros. Los primeros ejemplos de interferómetros de materia fueron los interferómetros electrónicos , seguidos más tarde por los interferómetros de neutrones . Alrededor de 1990 se demostraron los primeros interferómetros atómicos , seguidos más tarde por los interferómetros que emplean moléculas. [49] [50] [51]

La holografía electrónica es una técnica de obtención de imágenes que registra fotográficamente el patrón de interferencia de electrones de un objeto, que luego se reconstruye para producir una imagen muy ampliada del objeto original. [52] Esta técnica se desarrolló para permitir una mayor resolución en la microscopía electrónica de la que es posible con las 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. [53]

La interferometría de neutrones se ha utilizado para investigar el efecto Aharonov-Bohm , para examinar los efectos de la gravedad que actúa sobre una partícula elemental y para demostrar un comportamiento extraño de los fermiones que está en la base del principio de exclusión de Pauli : a diferencia de los objetos macroscópicos, cuando los fermiones se rotan 360° alrededor de cualquier eje, no vuelven a su estado original, sino que desarrollan un signo menos en su función de onda. En otras palabras, un fermión necesita rotarse 720° antes de volver a su estado original. [54]

Las técnicas de interferometría atómica están alcanzando una precisión suficiente para permitir pruebas a escala de laboratorio de la relatividad general . [55]

Los interferómetros se utilizan en física atmosférica para realizar mediciones de alta precisión de gases traza mediante sondeos remotos de la atmósfera. Existen varios ejemplos de interferómetros que utilizan características de absorción o emisión de gases traza. Un uso típico sería el monitoreo continuo de la concentración de gases traza en la columna, como ozono y monóxido de carbono, por encima del instrumento. [56]

Ingeniería y ciencias aplicadas

Figura 13. Franjas de interferencia óptica planas. (izquierda) superficie plana, (derecha) superficie curva.
Cómo se forman las franjas de interferencia cuando una superficie óptica plana se apoya sobre una superficie reflectante. La diferencia entre las superficies y la longitud de onda de las ondas de luz se exagera enormemente.

La interferometría de Newton (placa de prueba) se utiliza con frecuencia en la industria óptica para comprobar la calidad de las superficies a medida que se les da forma y se les da forma. La figura 13 muestra fotografías de placas de referencia que se utilizan para comprobar dos placas de prueba en diferentes etapas de finalización, mostrando los diferentes patrones de franjas de interferencia. Las placas de referencia descansan con sus superficies inferiores en contacto con las placas de prueba y están iluminadas por una fuente de luz monocromática. Las ondas de luz reflejadas desde ambas superficies interfieren, lo que da como resultado un patrón de bandas brillantes y oscuras. La superficie de la foto de la izquierda es casi plana, indicada por un patrón de franjas de interferencia rectas y paralelas a intervalos iguales. La superficie de la foto de la derecha es irregular, lo que da como resultado un patrón de franjas curvas. Cada par de franjas adyacentes representa una diferencia en la elevación de la superficie de media longitud de onda de la luz utilizada, por lo que las diferencias en la elevación se pueden medir contando las franjas. La planitud de las superficies se puede medir hasta millonésimas de pulgada con este método. Para determinar si la superficie que se está probando es cóncava o convexa con respecto a la superficie plana óptica de referencia, se puede adoptar cualquiera de varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan las franjas cuando se presiona suavemente sobre la superficie plana superior. Si se observan las franjas con luz blanca, la secuencia de colores se vuelve familiar con la experiencia y ayuda a la interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de las franjas cuando se mueve la cabeza desde una posición de observación normal a una oblicua. [57] Este tipo de maniobras, aunque son comunes en las tiendas de óptica, no son adecuadas en un entorno de prueba formal. Cuando las superficies planas están listas para la venta, normalmente se montarán en un interferómetro Fizeau para realizar pruebas y certificaciones formales.

Los etalones de Fabry-Pérot se utilizan ampliamente en telecomunicaciones , láseres y espectroscopia para controlar y medir las longitudes de onda de la luz. Los filtros dicroicos son etalones de película delgada de múltiples capas . En telecomunicaciones, la multiplexación por división de longitud de onda , la tecnología que permite el uso de múltiples longitudes de onda de luz a través de una sola fibra óptica, depende de dispositivos de filtrado que son etalones de película delgada. Los láseres monomodo emplean etalones para suprimir todos los modos de cavidad óptica excepto el único de interés. [2] : 42 

Figura 14. Interferómetro Twyman-Green

El interferómetro Twyman-Green, inventado por Twyman y Green en 1916, es una variante del interferómetro de Michelson ampliamente utilizado para probar componentes ópticos. [58] Las características básicas que lo distinguen de la configuración de Michelson son el uso de una fuente de luz puntual monocromática y un colimador. Michelson (1918) criticó la configuración Twyman-Green por ser inadecuada para la prueba de componentes ópticos grandes, ya que las fuentes de luz disponibles en ese momento tenían una longitud de coherencia limitada . Michelson señaló que las restricciones en la geometría impuestas por la longitud de coherencia limitada requerían el uso de un espejo de referencia de igual tamaño que el espejo de prueba, lo que hacía que el Twyman-Green fuera poco práctico para muchos propósitos. [59] Décadas más tarde, la llegada de las fuentes de luz láser respondió a las objeciones de Michelson. (Un interferómetro Twyman-Green que utiliza una fuente de luz láser y una longitud de trayectoria desigual se conoce como interferómetro láser de trayectoria desigual o LUPI). La figura 14 ilustra un interferómetro Twyman-Green configurado para probar una lente. La luz de una fuente puntual monocromática se expande mediante una lente divergente (no se muestra) y luego se colima en un haz paralelo. Se coloca un espejo esférico convexo de modo que su centro de curvatura coincida con el foco de la lente que se está probando. El haz emergente se registra mediante un sistema de imágenes para su análisis. [60]

Los interferómetros de Mach-Zehnder se utilizan en circuitos ópticos integrados , en los que la luz interfiere entre dos ramas de una guía de ondas que se modulan externamente para variar su fase relativa. Una ligera inclinación de uno de los divisores de haz dará como resultado una diferencia de trayectoria y un cambio en el patrón de interferencia. Los interferómetros de Mach-Zehnder son la base de una amplia variedad de dispositivos, desde moduladores de RF hasta sensores [61] [62] e interruptores ópticos . [63]

Los últimos telescopios astronómicos extremadamente grandes propuestos , como el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Extremadamente Grande , serán de diseño segmentado. Sus espejos primarios se construirán a partir de cientos de segmentos de espejo hexagonales. Pulir y dar forma a estos segmentos de espejo altamente asféricos y no simétricos rotacionalmente presenta un desafío importante. Los medios tradicionales de prueba óptica comparan una superficie con una referencia esférica con la ayuda de un corrector nulo . En los últimos años, los hologramas generados por computadora (CGH) han comenzado a complementar los correctores nulos en configuraciones de prueba para superficies asféricas complejas. La figura 15 ilustra cómo se hace esto. A diferencia de la figura, los CGH reales tienen un espaciado de línea del orden de 1 a 10 μm. Cuando la luz láser pasa a través del CGH, el haz difractado de orden cero no experimenta ninguna modificación del frente de onda. Sin embargo, el frente de onda del haz difractado de primer orden se modifica para que coincida con la forma deseada de la superficie de prueba. En la configuración de prueba del interferómetro de Fizeau ilustrada, el haz difractado de orden cero se dirige hacia la superficie de referencia esférica y el haz difractado de primer orden se dirige hacia la superficie de prueba de tal manera que los dos haces reflejados se combinan para formar franjas de interferencia. La misma configuración de prueba se puede utilizar para los espejos más internos y para los más externos, y solo es necesario intercambiar el CGH. [64]

Figura 15. Prueba óptica con un interferómetro Fizeau y un holograma generado por computadora

Los giroscopios láser de anillo (RLG) y los giroscopios de fibra óptica (FOG) son interferómetros utilizados en sistemas de navegación. Funcionan según el principio del efecto Sagnac . La distinción entre los RLG y los FOG es que en un RLG, todo el anillo es parte del láser, mientras que en un FOG, un láser externo inyecta haces que se propagan en sentido contrario en un anillo de fibra óptica , y la rotación del sistema provoca un cambio de fase relativo entre esos haces. En un RLG, el cambio de fase observado es proporcional a la rotación acumulada, mientras que en un FOG, el cambio de fase observado es proporcional a la velocidad angular. [65]

En las redes de telecomunicaciones, la heterodinación se utiliza para mover frecuencias de señales individuales a diferentes canales que pueden compartir una única línea de transmisión física. Esto se denomina multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, un cable coaxial utilizado por un sistema de televisión por cable puede transportar 500 canales de televisión al mismo tiempo porque a cada uno se le asigna una frecuencia diferente, por lo que no interfieren entre sí. Los detectores de radar Doppler de onda continua (CW) son básicamente dispositivos de detección heterodina que comparan los haces transmitidos y reflejados. [66]

La detección heterodina óptica se utiliza para mediciones de lidar Doppler coherentes capaces de detectar luz muy débil dispersa en la atmósfera y monitorear las velocidades del viento con alta precisión. Tiene aplicación en comunicaciones por fibra óptica , en varias técnicas espectroscópicas de alta resolución, y el método autoheterodino se puede utilizar para medir el ancho de línea de un láser. [9] [67]

Figura 16. Peine de frecuencia de un láser bloqueado por modo. Las líneas discontinuas representan una extrapolación de las frecuencias de modo hacia la frecuencia del desplazamiento de la envolvente de la portadora (CEO). La línea gris vertical representa una frecuencia óptica desconocida. Las líneas negras horizontales indican las dos mediciones de frecuencia de batido más bajas.

La detección heterodina óptica es una técnica esencial que se utiliza en mediciones de alta precisión de las frecuencias de fuentes ópticas, así como en la estabilización de sus frecuencias. Hasta hace relativamente pocos años, se necesitaban largas cadenas de frecuencia para conectar la frecuencia de microondas de una fuente de tiempo atómica de cesio u otra a frecuencias ópticas. En cada paso de la cadena, se utilizaba un multiplicador de frecuencia para producir un armónico de la frecuencia de ese paso, que se compararía mediante detección heterodina con el siguiente paso (la salida de una fuente de microondas, láser infrarrojo lejano, láser infrarrojo o láser visible). Cada medición de una sola línea espectral requería varios años de esfuerzo en la construcción de una cadena de frecuencia personalizada. Actualmente, los peines de frecuencia óptica han proporcionado un método mucho más simple para medir frecuencias ópticas. Si se modula un láser bloqueado por modo para formar un tren de pulsos, se ve que su espectro consiste en la frecuencia portadora rodeada por un peine de frecuencias de banda lateral ópticas estrechamente espaciadas con un espaciamiento igual a la frecuencia de repetición de pulsos (Fig. 16). La frecuencia de repetición de pulsos se bloquea con la del estándar de frecuencia , y las frecuencias de los elementos del peine en el extremo rojo del espectro se duplican y se heterodinan con las frecuencias de los elementos del peine en el extremo azul del espectro, lo que permite que el peine sirva como su propia referencia. De esta manera, el bloqueo de la salida del peine de frecuencia con un estándar atómico se puede realizar en un solo paso. Para medir una frecuencia desconocida, la salida del peine de frecuencia se dispersa en un espectro. La frecuencia desconocida se superpone con el segmento espectral apropiado del peine y se mide la frecuencia de los latidos heterodinos resultantes. [68] [69]

Una de las aplicaciones industriales más comunes de la interferometría óptica es como una herramienta de medición versátil para el examen de alta precisión de la topografía de la superficie. Las técnicas de medición interferométrica populares incluyen la interferometría de desplazamiento de fase (PSI), [70] y la interferometría de barrido vertical (VSI), [71] también conocida como interferometría de luz blanca de barrido (SWLI) o por el término ISO interferometría de barrido de coherencia (CSI), [72] La CSI explota la coherencia para ampliar el rango de capacidades para la microscopía de interferencia. [73] [74] Estas técnicas se utilizan ampliamente en la fabricación microelectrónica y microóptica. La PSI utiliza luz monocromática y proporciona mediciones muy precisas; sin embargo, solo se puede utilizar para superficies que son muy lisas. La CSI a menudo utiliza luz blanca y altas aperturas numéricas, y en lugar de mirar la fase de las franjas, como lo hace la PSI, busca la mejor posición de contraste de franja máximo o alguna otra característica del patrón de franja general. En su forma más simple, el CSI proporciona mediciones menos precisas que el PSI, pero se puede utilizar en superficies rugosas. Algunas configuraciones de CSI, conocidas como VSI mejorado (EVSI), SWLI de alta resolución o análisis del dominio de frecuencia (FDA), utilizan efectos de coherencia en combinación con la fase de interferencia para mejorar la precisión. [75] [76]

Figura 17. Interferómetros de barrido de coherencia y desplazamiento de fase

La interferometría de desplazamiento de fase aborda varios problemas asociados con el análisis clásico de interferogramas estáticos. Clásicamente, se miden las posiciones de los centros de las franjas. Como se ve en la figura 13, las desviaciones de las franjas con respecto a la rectitud y el espaciado uniforme proporcionan una medida de la aberración. Los errores en la determinación de la ubicación de los centros de las franjas proporcionan el límite inherente a la precisión del análisis clásico, y cualquier variación de intensidad a lo largo del interferograma también introducirá error. Existe un equilibrio entre la precisión y la cantidad de puntos de datos: las franjas muy espaciadas proporcionan muchos puntos de datos de baja precisión, mientras que las franjas muy espaciadas proporcionan una cantidad baja de puntos de datos de alta precisión. Dado que los datos de los centros de las franjas son todo lo que se utiliza en el análisis clásico, se descarta toda la otra información que teóricamente podría obtenerse mediante un análisis detallado de las variaciones de intensidad en un interferograma. [77] [78] Finalmente, con interferogramas estáticos, se necesita información adicional para determinar la polaridad del frente de onda: en la Fig. 13, se puede ver que la superficie probada a la derecha se desvía de la planitud, pero no se puede decir a partir de esta única imagen si esta desviación de la planitud es cóncava o convexa. Tradicionalmente, esta información se obtendría utilizando medios no automatizados, como observando la dirección en la que se mueven las franjas cuando se empuja la superficie de referencia. [79]

La interferometría de desplazamiento de fase supera estas limitaciones al no depender de la búsqueda de centros de franjas, sino más bien al recopilar datos de intensidad de cada punto del sensor de imagen CCD . Como se ve en la Figura 17, se analizan múltiples interferogramas (al menos tres) con la superficie óptica de referencia desplazada por una fracción precisa de una longitud de onda entre cada exposición utilizando un transductor piezoeléctrico (PZT). Alternativamente, se pueden introducir desplazamientos de fase precisos modulando la frecuencia del láser. [80] Las imágenes capturadas son procesadas por una computadora para calcular los errores de frente de onda óptico. La precisión y reproducibilidad de PSI es mucho mayor que la posible en el análisis de interferogramas estáticos, con repetibilidades de medición de una centésima de longitud de onda que son rutinarias. [77] [78] La tecnología de desplazamiento de fase se ha adaptado a una variedad de tipos de interferómetros, como Twyman-Green, Mach-Zehnder, láser Fizeau e incluso configuraciones de trayectoria comunes, como difracción puntual e interferómetros de cizallamiento lateral. [79] [81] De manera más general, las técnicas de cambio de fase se pueden adaptar a casi cualquier sistema que utilice franjas para la medición, como la interferometría holográfica y de moteado. [79]

Figura 18. Células semilunares de Nepenthes khasiana visualizadas mediante interferometría de luz blanca de barrido (SWLI)
Figura 19. Interferómetro Twyman-Green configurado como un escáner de luz blanca

En la interferometría de barrido de coherencia , [82] la interferencia solo se logra cuando los retrasos de la longitud del camino del interferómetro coinciden con el tiempo de coherencia de la fuente de luz. La CSI monitorea el contraste de franjas en lugar de la fase de las franjas. [2] : 105  La figura 17 ilustra un microscopio CSI que utiliza un interferómetro Mirau en el objetivo; otras formas de interferómetro utilizadas con luz blanca incluyen el interferómetro de Michelson (para objetivos de bajo aumento, donde el espejo de referencia en un objetivo Mirau interrumpiría demasiado la apertura) y el interferómetro Linnik (para objetivos de alto aumento con distancia de trabajo limitada). [83] La muestra (o alternativamente, el objetivo) se mueve verticalmente sobre todo el rango de altura de la muestra, y se encuentra la posición de máximo contraste de franjas para cada píxel. [73] [84] El principal beneficio de la interferometría de barrido de coherencia es que se pueden diseñar sistemas que no sufran la ambigüedad de 2 pi de la interferometría coherente, [85] [86] [87] y como se ve en la Fig. 18, que escanea un volumen de 180 μm x 140 μm x 10 μm, es muy adecuada para perfilar escalones y superficies rugosas. La resolución axial del sistema está determinada en parte por la longitud de coherencia de la fuente de luz. [88] [89] Las aplicaciones industriales incluyen metrología de superficies en proceso , medición de rugosidad, metrología de superficies 3D en espacios de difícil acceso y en entornos hostiles, perfilometría de superficies con características de alta relación de aspecto (ranuras, canales, agujeros) y medición de espesor de película (industrias de semiconductores y ópticas, etc.). [90] [91]

La figura 19 ilustra un interferómetro Twyman-Green configurado para el escaneo de luz blanca de un objeto macroscópico.

La interferometría holográfica es una técnica que utiliza la holografía para monitorear pequeñas deformaciones en implementaciones de una sola longitud de onda. En implementaciones de múltiples longitudes de onda, se utiliza para realizar metrología dimensional de piezas y conjuntos grandes y para detectar defectos superficiales más grandes. [2] : 111–120 

La interferometría holográfica se descubrió por accidente como resultado de errores cometidos durante la fabricación de hologramas. Los primeros láseres eran relativamente débiles y las placas fotográficas eran insensibles, lo que requería exposiciones prolongadas durante las cuales podían producirse vibraciones o pequeños desplazamientos en el sistema óptico. Los hologramas resultantes, que mostraban el objeto holográfico cubierto de franjas, se consideraban un fracaso. [92]

Finalmente, a mediados de los años 60, varios grupos independientes de experimentadores se dieron cuenta de que las franjas codificaban información importante sobre los cambios dimensionales que se producían en el sujeto y comenzaron a producir intencionadamente exposiciones dobles holográficas. El artículo principal sobre interferometría holográfica trata de las disputas sobre la prioridad del descubrimiento que se produjeron durante la concesión de la patente para este método. [93]

La holografía de doble y múltiple exposición es uno de los tres métodos utilizados para crear interferogramas holográficos. Una primera exposición registra el objeto en un estado no estresado. Se realizan exposiciones posteriores en la misma placa fotográfica mientras el objeto está sometido a cierta tensión. La imagen compuesta representa la diferencia entre los estados estresado y no estresado. [94]

La holografía en tiempo real es un segundo método para crear interferogramas holográficos. Se crea un hológrafo del objeto no sometido a tensión. Este hológrafo se ilumina con un haz de referencia para generar una imagen holográfica del objeto superpuesta directamente sobre el objeto original mientras el objeto se somete a cierta tensión. Las ondas del objeto de esta imagen holográfica interferirán con las nuevas ondas que provengan del objeto. Esta técnica permite el seguimiento en tiempo real de los cambios de forma. [94]

El tercer método, la holografía promediada en el tiempo, implica la creación de un hológrafo mientras el objeto se somete a una tensión o vibración periódica. Esto produce una imagen visual del patrón de vibración. [94]

El radar de apertura sintética interferométrica (InSAR) es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Las imágenes de radar de apertura sintética por satélite de una característica geográfica se toman en días separados, y los cambios que han tenido lugar entre las imágenes de radar tomadas en los días separados se registran como franjas similares a las obtenidas en interferometría holográfica. La técnica puede monitorear la deformación a escala de centímetros a milímetros resultante de terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y también tiene usos en ingeniería estructural, en particular para el monitoreo de hundimientos y estabilidad estructural. La figura 20 muestra Kilauea, un volcán activo en Hawai. Los datos adquiridos utilizando el radar de apertura sintética de banda X del transbordador espacial Endeavour el 13 de abril de 1994 y el 4 de octubre de 1994 se utilizaron para generar franjas interferométricas, que se superpusieron en la imagen X-SAR de Kilauea. [95]

La interferometría electrónica de patrones de moteado (ESPI), también conocida como holografía de televisión, utiliza la detección y grabación de vídeo para producir una imagen del objeto sobre la que se superpone un patrón de franjas que representa el desplazamiento del objeto entre grabaciones. (ver Fig. 21) Las franjas son similares a las obtenidas en la interferometría holográfica. [2] : 111–120  [96]

Cuando se inventaron los láseres, se consideró que el moteado láser era un grave inconveniente para su uso en la iluminación de objetos, en particular en la obtención de imágenes holográficas, debido a la granulosidad de la imagen producida. Más tarde se descubrió que los patrones de moteado podían transmitir información sobre las deformaciones de la superficie del objeto. Butters y Leendertz desarrollaron la técnica de interferometría de patrones de moteado en 1970 [97] y, desde entonces, el moteado se ha explotado en una variedad de otras aplicaciones. Se hace una fotografía del patrón de moteado antes de la deformación y una segunda fotografía del patrón de moteado después de la deformación. La sustracción digital de las dos imágenes da como resultado un patrón de franjas de correlación, donde las franjas representan líneas de igual deformación. Se pueden utilizar pulsos láser cortos en el rango de nanosegundos para capturar eventos transitorios muy rápidos. Existe un problema de fase: en ausencia de otra información, no se puede distinguir entre las líneas de contorno que indican un pico y las líneas de contorno que indican un valle. Para resolver el problema de la ambigüedad de fase, la ESPI se puede combinar con métodos de desplazamiento de fase. [98] [99]

Un método para establecer líneas de base geodésicas precisas , inventado por Yrjö Väisälä , explotó la baja longitud de coherencia de la luz blanca. Inicialmente, la luz blanca se dividió en dos, con el haz de referencia "doblado", rebotando de un lado a otro seis veces entre un par de espejos espaciados exactamente a 1 m de distancia. Solo si la trayectoria de prueba era exactamente 6 veces la trayectoria de referencia se verían franjas. Las aplicaciones repetidas de este procedimiento permitieron una medición precisa de distancias de hasta 864 metros. Las líneas de base así establecidas se utilizaron para calibrar el equipo de medición de distancias geodésicas, lo que dio lugar a una escala metrológicamente trazable para las redes geodésicas medidas por estos instrumentos. [100] (Este método ha sido reemplazado por el GPS).

Otros usos de los interferómetros han sido el estudio de la dispersión de materiales, la medición de índices complejos de refracción y las propiedades térmicas. También se utilizan para el mapeo de movimiento tridimensional, incluido el mapeo de patrones vibracionales de estructuras. [75]

Biología y medicina

La interferometría óptica, aplicada a la biología y la medicina, proporciona capacidades de metrología sensibles para la medición de biomoléculas, componentes subcelulares, células y tejidos. [101] Muchas formas de biosensores sin etiquetas dependen de la interferometría porque la interacción directa de los campos electromagnéticos con la polarizabilidad molecular local elimina la necesidad de etiquetas fluorescentes o marcadores de nanopartículas . A mayor escala, la interferometría celular comparte aspectos con la microscopía de contraste de fase, pero comprende una clase mucho más grande de configuraciones ópticas sensibles a la fase que dependen de la interferencia óptica entre los constituyentes celulares a través de la refracción y la difracción. A escala de tejido, la propagación de luz dispersada hacia adelante parcialmente coherente a través de las microaberraciones y la heterogeneidad de la estructura del tejido brinda oportunidades para usar la activación sensible a la fase (tomografía de coherencia óptica), así como la espectroscopia de fluctuación sensible a la fase para obtener imágenes de propiedades dinámicas y estructurales sutiles.

La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica de obtención de imágenes médicas que utiliza interferometría de baja coherencia para proporcionar una visualización tomográfica de las microestructuras internas del tejido. Como se ve en la figura 22, el núcleo de un sistema OCT típico es un interferómetro de Michelson. Un brazo del interferómetro se enfoca en la muestra de tejido y escanea la muestra en un patrón de trama longitudinal XY. El otro brazo del interferómetro rebota en un espejo de referencia. La luz reflejada de la muestra de tejido se combina con la luz reflejada de la referencia. Debido a la baja coherencia de la fuente de luz, la señal interferométrica se observa solo en una profundidad limitada de la muestra. Por lo tanto, el escaneo XY registra una fina porción óptica de la muestra a la vez. Al realizar múltiples escaneos, moviendo el espejo de referencia entre cada escaneo, se puede reconstruir una imagen tridimensional completa del tejido. [102] [103] Los avances recientes se han esforzado por combinar la recuperación de la fase nanométrica de la interferometría coherente con la capacidad de alcance de la interferometría de baja coherencia. [75]

La microscopía de contraste de fase y de contraste de interferencia diferencial (DIC) son herramientas importantes en biología y medicina. La mayoría de las células animales y organismos unicelulares tienen muy poco color, y sus orgánulos intracelulares son casi totalmente invisibles bajo una simple iluminación de campo brillante . Estas estructuras se pueden hacer visibles tiñendo las muestras, pero los procedimientos de tinción consumen mucho tiempo y matan las células. Como se ve en las figuras 24 y 25, los microscopios de contraste de fase y DIC permiten estudiar células vivas sin teñir. [104] El DIC también tiene aplicaciones no biológicas, por ejemplo en el análisis del procesamiento de semiconductores de silicio planar .

La interferometría de baja coherencia con resolución angular (a/LCI) utiliza luz dispersa para medir los tamaños de objetos subcelulares, incluidos los núcleos celulares . Esto permite combinar las mediciones de profundidad de la interferometría con las mediciones de densidad. Se han encontrado varias correlaciones entre el estado de salud del tejido y las mediciones de objetos subcelulares. Por ejemplo, se ha descubierto que a medida que el tejido cambia de normal a canceroso, el tamaño promedio de los núcleos celulares aumenta. [105] [106]

La obtención de imágenes de rayos X con contraste de fase (fig. 26) se refiere a una variedad de técnicas que utilizan información de fase de un haz de rayos X coherente para obtener imágenes de tejidos blandos. (Para una discusión elemental, consulte Imágenes de rayos X con contraste de fase (introducción) . Para una revisión más profunda, consulte Imágenes de rayos X con contraste de fase ). Se ha convertido en un método importante para visualizar estructuras celulares e histológicas en una amplia gama de estudios biológicos y médicos. Existen varias tecnologías que se utilizan para la obtención de imágenes de contraste de fase de rayos X, todas utilizando diferentes principios para convertir las variaciones de fase en los rayos X que emergen de un objeto en variaciones de intensidad. [107] [108] Estas incluyen contraste de fase basado en propagación, [109] interferometría de Talbot , [108] interferometría de campo lejano basada en Moiré , [110] imágenes mejoradas por refracción, [111] e interferometría de rayos X. [112] Estos métodos proporcionan un mayor contraste en comparación con las imágenes de rayos X de absorción-contraste normales, lo que permite ver detalles más pequeños. Una desventaja es que estos métodos requieren equipos más sofisticados, como fuentes de rayos X de sincrotrón o microfoco , ópticas de rayos X o detectores de rayos X de alta resolución.

Véase también

Referencias

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