Interferômetro de caminho comum - Common-path interferometer
Um interferômetro de caminho comum é uma classe de interferômetros em que o feixe de referência e os feixes de amostra viajam ao longo do mesmo caminho. Os exemplos incluem o interferômetro Sagnac , interferômetro de contraste de fase Zernike e o interferômetro de difração de ponto . Um interferômetro de caminho comum é geralmente mais robusto às vibrações ambientais do que um "interferômetro de caminho duplo", como o interferômetro de Michelson ou o interferômetro de Mach-Zehnder . Embora viajando ao longo do mesmo caminho, os feixes de referência e de amostra podem viajar ao longo de direções opostas ou podem viajar ao longo da mesma direção, mas com a mesma polarização ou com polarização diferente.
Os interferômetros de caminho duplo são altamente sensíveis a mudanças de fase ou mudanças de comprimento entre os braços de referência e de amostra. Por causa disso, os interferômetros de caminho duplo encontraram amplo uso na ciência e na indústria para a medição de pequenos deslocamentos, mudanças no índice de refração, irregularidades de superfície e semelhantes. Existem aplicações, no entanto, nas quais a sensibilidade ao deslocamento relativo ou diferenças de índice de refração entre os caminhos de referência e de amostra não é desejável; alternativamente, alguém pode estar interessado na medição de alguma outra propriedade.
Exemplos selecionados
Sagnac
Os interferômetros Sagnac são totalmente inadequados para medir comprimentos ou mudanças de comprimento. Em um interferômetro Sagnac, ambos os feixes que emergem do divisor de feixe percorrem simultaneamente os quatro lados de um retângulo em direções opostas e se recombinam no divisor de feixe original. O resultado é que um interferômetro Sagnac é, de primeira ordem, completamente insensível a qualquer movimento de seus componentes ópticos. De fato, para tornar o interferômetro Sagnac útil para medir mudanças de fase, os feixes do interferômetro devem ser ligeiramente separados para que não sigam mais um caminho perfeitamente comum. Mesmo com uma ligeira separação do feixe, os interferômetros Sagnac oferecem excelente contraste e estabilidade de franja. Duas topologias básicas do interferômetro Sagnac são possíveis, diferindo se há um número par ou ímpar de reflexões em cada caminho. Em um interferômetro Sagnac com um número ímpar de reflexões, como o ilustrado, as frentes de onda dos feixes de viagem oposta são invertidas lateralmente em relação à outra na maior parte do caminho da luz, de modo que a topologia não é estritamente caminho comum.
O uso mais conhecido do interferômetro Sagnac está em sua sensibilidade à rotação. Os primeiros relatos dos efeitos da rotação nesta forma de interferômetro foram publicados em 1913 por Georges Sagnac, que erroneamente acreditava que sua capacidade de detectar um "turbilhão do éter" refutava a teoria da relatividade. A sensibilidade dos interferômetros Sagnac atuais excede em muito a do arranjo original de Sagnac. A sensibilidade à rotação é proporcional à área circunscrita pelos feixes de contra-rotação, e os giroscópios de fibra ótica , descendentes atuais do interferômetro de Sagnac, usam milhares de laços de fibra ótica em vez de espelhos, de modo que mesmo os pequenos e médios unidades detectam facilmente a rotação da Terra. Os giroscópios de laser anel (não ilustrados) são outra forma de sensor de rotação Sagnac que têm aplicações importantes em sistemas de orientação inercial.
Por causa de seu contraste excepcional e estabilidade de franja, interferômetros usando a configuração Sagnac desempenharam um papel importante em experimentos que levaram à descoberta da relatividade especial por Einstein e na defesa subsequente da relatividade contra desafios teóricos e experimentais. Por exemplo, um ano antes de seu famoso experimento de 1887 , Michelson e Morley (1886) realizaram uma repetição do experimento Fizeau de 1851, substituindo a configuração de Fizeau por um interferômetro Sagnac de reflexão uniforme de alta estabilidade, que até mesmo colocando um fósforo aceso em o caminho da luz não causou o deslocamento da franja artificial. Em 1935, Gustaf Wilhelm Hammar refutou um desafio teórico à relatividade especial que tentou explicar os resultados nulos dos experimentos do tipo Michelson-Morley como sendo um mero artefato de arrastamento do éter , usando um interferômetro Sagnac de reflexão ímpar. Ele poderia operar este interferômetro a céu aberto, no topo de uma colina alta sem controle de temperatura, mas ainda assim obter leituras de precisão de 1/10 na franja.
Difração de ponto
Outro interferômetro de caminho comum útil em testes de lentes e diagnósticos de fluxo de fluido é o interferômetro de difração de ponto (PDI), inventado por Linnik em 1933. O feixe de referência é gerado por difração de um pequeno orifício, com cerca de metade do diâmetro do disco de Airy , em uma placa semitransparente. A Fig. 1 ilustra uma frente de onda aberrada focada no orifício. O feixe de referência difratado e a onda de teste transmitida interferem para formar franjas. O design de caminho comum do PDI traz uma série de vantagens importantes. (1) Apenas um único caminho do laser é necessário, em vez dos dois caminhos exigidos pelos projetos de Mach-Zehnder ou Michelson. Esta vantagem pode ser muito importante em grandes configurações interferométricas, como em túneis de vento que têm longos caminhos ópticos através de meios turbulentos. (2) O projeto de caminho comum usa menos componentes ópticos do que os projetos de caminho duplo, tornando o alinhamento muito mais fácil, bem como reduzindo custo, tamanho e peso, especialmente para grandes configurações. (3) Embora a precisão de um projeto de caminho duplo dependa da precisão com a qual o elemento de referência é figurado, um projeto cuidadoso permite que o feixe de referência gerado do PDI seja de precisão garantida. Uma desvantagem é que a quantidade de luz que passa pelo orifício depende de quão bem a luz pode ser focada nele. Se a frente de onda do incidente for severamente aberrada, muito pouca luz pode passar. O PDI tem sido usado em várias aplicações de óptica adaptativa .
Corte lateral
A interferometria de cisalhamento lateral é um método de auto-referência de detecção de frente de onda. Em vez de comparar uma frente de onda com uma frente de onda de referência de caminho separado, a interferometria de cisalhamento lateral interfere em uma frente de onda com uma versão deslocada de si mesma. Como resultado, ele é sensível à inclinação de uma frente de onda, não à forma da frente de onda em si . O interferômetro de placa paralela plana ilustrado tem comprimentos de caminho desiguais para os feixes de teste e de referência; por isso, deve ser usado com luz altamente monocromática (laser). Normalmente é usado sem qualquer revestimento em nenhuma das superfícies, de modo a minimizar reflexos fantasmas. Uma frente de onda aberrada de uma lente em teste é refletida da frente e de trás da placa para formar o padrão de interferência. Variações neste design básico permitem o teste de espelhos. Outras formas de interferômetro de cisalhamento lateral, com base nos designs de Jamin , Michelson , Mach-Zehnder e outros interferômetros, têm caminhos compensados e podem ser usados com luz branca. Além do teste óptico, as aplicações da interferometria de cisalhamento lateral incluem análise de filme fino, difusão de massa e térmica em materiais transparentes, índice de refração e gradiente de medição do índice de refração, teste de colimação e óptica adaptativa. Os interferômetros de cisalhamento, uma estrutura geral que inclui o cisalhamento lateral, Hartmann, Shack-Hartmann , cisalhamento rotacional, cisalhamento de dobra e interferômetros de mascaramento de abertura , são usados na maioria dos sensores de frente de onda desenvolvidos industrialmente.
Biprisma de Fresnel
Da perspectiva moderna, o resultado do experimento de fenda dupla de Young (ver Fig. 2) aponta claramente para a natureza ondulatória da luz, mas não era o caso no início do século XIX. Afinal, Newton havia observado o que agora é conhecido como fenômenos de difração e escreveu sobre eles em seu Terceiro Livro de Óptica, interpretando-os em termos de sua teoria corpuscular da luz . Os contemporâneos de Young levantaram objeções de que seus resultados poderiam simplesmente representar efeitos de difração das bordas das fendas, não diferentes em princípio das franjas que Newton havia observado anteriormente. Augustin Fresnel , que apoiou a teoria das ondas, realizou uma série de experimentos para demonstrar os efeitos de interferência que não podiam ser simplesmente explicados como sendo o resultado da difração de borda. O mais notável deles foi o uso de um biprisma para criar duas fontes virtuais de interferência por refração.
Uma versão eletrônica do biprisma de Fresnel é usada na holografia eletrônica , uma técnica de imagem que registra fotograficamente o padrão de interferência eletrônica de um objeto. O holograma pode então ser iluminado por um laser, resultando em uma imagem bastante ampliada do objeto original, embora a preferência atual seja para a reconstrução numérica dos hologramas. Esta técnica foi desenvolvida para permitir maior resolução em microscopia eletrônica do que é possível usando técnicas convencionais de imagem. A resolução da microscopia eletrônica convencional não é limitada pelo comprimento de onda do elétron, mas pelas grandes aberrações das lentes eletrônicas.
A Fig. 3 mostra o arranjo básico de um microscópio eletrônico de interferência. O biprisma de elétrons consiste em um filamento elétrico fino e carregado positivamente (representado como um ponto na figura) entre dois eletrodos de placa no potencial de terra. O filamento, geralmente não mais do que 1 μm de diâmetro, é geralmente uma fibra de quartzo revestida de ouro. Ao colocar o espécime fora do eixo no feixe de elétrons, a frente de onda do espécime difratado e a frente de onda de referência se combinam para criar o holograma.
Sagnac de área zero
O Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) consistia em dois interferômetros Michelson – Fabry – Pérot de 4 km e operava a um nível de potência de cerca de 100 watts de potência do laser no divisor de feixe. Uma atualização atualmente em andamento para o Advanced LIGO exigirá vários quilowatts de potência do laser, e os cientistas precisarão lidar com a distorção térmica, a variação da frequência dos lasers, o deslocamento do espelho e a birrefringência induzida termicamente .
Uma variedade de sistemas ópticos concorrentes estão sendo explorados para aprimoramentos de terceira geração além do Advanced LIGO. Uma dessas topologias concorrentes foi o design Sagnac de área zero. Como observado acima, os interferômetros Sagnac são, de primeira ordem, insensíveis a qualquer deslocamento estático ou de baixa frequência de seus componentes ópticos, nem são as franjas afetadas por variações menores de frequência nos lasers ou birrefringência. Uma variante de área zero do interferômetro Sagnac foi proposta para o LIGO de terceira geração. A Fig. 1 mostra como direcionando a luz através de dois loops de sentido oposto, uma área efetiva de zero é obtida. Esta variante do interferômetro Sagnac é, portanto, insensível à rotação ou desvio de baixa frequência de seus componentes ópticos, enquanto mantém uma alta sensibilidade a eventos transitórios de interesse astronômico. No entanto, muitas considerações estão envolvidas na escolha de um sistema óptico e, apesar da superioridade do Sagnac de área zero em certas áreas, ainda não existe um consenso na escolha do sistema óptico para o LIGO de terceira geração.
Placa de dispersão
Uma alternativa de caminho comum para o interferômetro Twyman-Green é o interferômetro de placa de dispersão, inventado por JM Burch em 1953. O interferômetro Twyman-Green, um interferômetro de caminho duplo, é uma variante do interferômetro de Michelson comumente usado para testar a precisão óptica superfícies e lentes. Uma vez que os caminhos de referência e de amostra são divergentes, esta forma de interferômetro é extremamente sensível à vibração e à turbulência atmosférica nos caminhos de luz, os quais interferem nas medições ópticas. As medições de precisão de uma superfície óptica também são extremamente dependentes da qualidade da óptica auxiliar.
Como o interferômetro de placa de dispersão é um interferômetro de caminho comum, os caminhos de referência e de teste são combinados automaticamente para que uma franja de ordem zero possa ser facilmente obtida, mesmo com luz branca. É relativamente insensível à vibração e turbulência, e a qualidade da ótica auxiliar não é tão crítica quanto em uma configuração Twyman-Green. O contraste de franja, no entanto, é menor e um ponto de acesso característico pode tornar o interferômetro de placa de dispersão inadequado para vários fins. Uma variedade de outros interferômetros de caminho comum úteis para testes ópticos foram descritos.
A Fig. 1 mostra o interferômetro configurado para testar um espelho esférico. Uma placa de dispersão é colocada perto do centro da curvatura do espelho em teste. Esta placa tem um padrão de pequenas manchas opacas que são dispostas na placa com simetria de inversão, mas que são aleatórias em forma e distribuição. (1) Uma certa fração da luz passa diretamente pela placa de dispersão, é refletida pelo espelho, mas é espalhada quando encontra a placa de dispersão pela segunda vez. Essa luz direta espalhada forma o feixe de referência. (2) Uma certa fração da luz é espalhada ao passar pela placa de dispersão, é refletida pelo espelho, mas então passa diretamente pela placa de dispersão quando encontra a placa de dispersão pela segunda vez. Essa luz direta espalhada forma o feixe de teste, que se combina com o feixe de referência para formar franjas de interferência. (3) Uma certa fração da luz passa diretamente pela placa de dispersão em ambos os encontros. Essa luz direta direta gera um ponto de acesso pequeno e indesejável. (4) Uma certa fração da luz é espalhada em ambos os encontros com a placa de dispersão. Esta luz espalhada reduz o contraste geral do padrão de interferência.
Outras configurações
Outras configurações do interferômetro de caminho comum têm sido descritas na literatura, como o interferômetro de foco duplo e o interferômetro de prisma de Saunders, entre muitos outros. Os interferômetros de caminho comum têm se mostrado úteis em uma ampla variedade de aplicações, incluindo tomografia de coerência óptica, holografia digital e medição de atrasos de fase. Sua resiliência relativa à vibração ambiental é uma característica comum e notável e às vezes podem ser usados quando nenhum feixe de referência está disponível; entretanto, dependendo de sua topologia, seus padrões de interferência podem ser mais complicados de interpretar do que aqueles gerados por interferômetros de caminho duplo.