Interferometria - Interferometry

Figura 1. O caminho da luz através de um interferômetro de Michelson . Os dois raios de luz com uma fonte comum combinam-se no espelho meio prateado para alcançar o detector. Eles podem interferir construtivamente (fortalecendo em intensidade) se suas ondas de luz chegarem em fase, ou interferir destrutivamente (enfraquecendo em intensidade) se chegarem fora de fase, dependendo das distâncias exatas entre os três espelhos.

A interferometria é uma técnica em que as ondas se sobrepõem para causar o fenômeno de interferência , que é utilizado para extrair informações. A interferometria normalmente usa ondas eletromagnéticas e é uma importante técnica de investigação nos campos da astronomia , fibra óptica , metrologia de engenharia , metrologia óptica, oceanografia , sismologia , espectroscopia (e suas aplicações à química ), mecânica quântica , física nuclear e de partículas , física de plasma , sensoriamento remoto , interações biomoleculares , perfil de superfície, microfluídica , medição mecânica de tensão / deformação, velocimetria , optometria e fabricação de hologramas .

Os interferômetros são dispositivos que extraem informações da interferência. Eles são amplamente usados ​​na ciência e na indústria para a medição de deslocamentos microscópicos, alterações do índice de refração e irregularidades da superfície. No caso da maioria dos interferômetros, a luz de uma única fonte é dividida em dois feixes que viajam em caminhos óticos diferentes , que são então combinados novamente para produzir interferência; duas fontes incoerentes também podem interferir em algumas circunstâncias. As franjas de interferência resultantes fornecem informações sobre a diferença nos comprimentos do caminho óptico . Na ciência analítica, os interferômetros são usados ​​para medir comprimentos e a forma de componentes ópticos com precisão nanométrica; eles são os instrumentos de medição de comprimento de mais alta precisão existentes. Na espectroscopia de transformada de Fourier, eles são usados ​​para analisar luz contendo características de absorção ou emissão associadas a uma substância ou mistura. Um interferômetro astronômico consiste em dois ou mais telescópios separados que combinam seus sinais, oferecendo uma resolução equivalente à de um telescópio de diâmetro igual à maior separação entre seus elementos individuais.

Princípios básicos

Figura 2. Formação de franjas em um interferômetro de Michelson
Figura 3. Franjas coloridas e monocromáticas em um interferômetro de Michelson: (a) Franjas de luz branca onde os dois feixes diferem no número de inversões de fase; (b) Franjas de luz branca onde os dois feixes experimentaram o mesmo número de inversões de fase; (c) Padrão de franja usando luz monocromática ( linhas D de sódio )

A interferometria faz uso do princípio da superposição para combinar ondas de uma forma que fará com que o resultado de sua combinação tenha alguma propriedade significativa que é diagnóstica do estado original das ondas. Isso funciona porque quando duas ondas com a mesma frequência se combinam, o padrão de intensidade resultante é determinado pela diferença de fase entre as duas ondas - ondas que estão em fase sofrerão interferência construtiva, enquanto ondas fora de fase sofrerão interferência destrutiva. As ondas que não estão completamente em fase nem completamente fora de fase terão um padrão de intensidade intermediário, que pode ser usado para determinar sua diferença de fase relativa. A maioria dos interferômetros usa luz ou alguma outra forma de onda eletromagnética .

Normalmente (veja a Fig. 1, a configuração de Michelson bem conhecida) um único feixe de luz coerente que chega será dividido em dois feixes idênticos por um divisor de feixe (um espelho parcialmente refletivo). Cada um desses feixes viaja por uma rota diferente, chamada de caminho, e são recombinados antes de chegar a um detector. A diferença de caminho, a diferença na distância percorrida por cada feixe, cria uma diferença de fase entre eles. É essa diferença de fase introduzida que cria o padrão de interferência entre as ondas inicialmente idênticas. Se um único feixe foi dividido em dois caminhos, a diferença de fase é um diagnóstico de qualquer coisa que mude a fase ao longo dos caminhos. Isso pode ser uma mudança física no próprio comprimento do caminho ou uma mudança no índice de refração ao longo do caminho.

Como visto nas Fig. 2a e 2b, o observador tem uma visão direta do espelho M 1 visto através do divisor de feixe, e vê uma imagem refletida M2 do espelho M 2 . As franjas pode ser interpretado como o resultado da interferência entre a luz vinda das duas imagens virtuais S ' 1 e S ' 2 da fonte original S . As características do padrão de interferência dependem da natureza da fonte de luz e da orientação precisa dos espelhos e do divisor de feixe. Na Fig. 2a, os elementos ópticos são orientados de modo que S1 e S2 estejam alinhados com o observador, e o padrão de interferência resultante consiste em círculos centrados na normal a M 1 e M ' 2 . Se, como na Fig. 2b, M 1 e M2 são inclinados em relação um ao outro, as franjas de interferência geralmente assumirão a forma de seções cônicas (hipérboles), mas se M1 e M2 se sobrepõem, as franjas próximo ao eixo será reto, paralelo e igualmente espaçado. Se S é uma fonte estendida ao invés de uma fonte pontual, como ilustrado, as franjas da Fig. 2a devem ser observadas com um telescópio ajustado no infinito, enquanto as franjas da Fig. 2b serão localizadas nos espelhos.

O uso de luz branca resultará em um padrão de franjas coloridas (ver Fig. 3). A franja central que representa o comprimento do caminho igual pode ser clara ou escura, dependendo do número de inversões de fase experimentadas pelos dois feixes conforme eles atravessam o sistema óptico. (Veja interferômetro de Michelson para uma discussão sobre isso.)

Categorias

Interferômetros e técnicas interferométricas podem ser categorizados por uma variedade de critérios:

Detecção homódina versus heteródina

Na detecção homódina , a interferência ocorre entre dois feixes no mesmo comprimento de onda (ou frequência portadora ). A diferença de fase entre os dois feixes resulta em uma mudança na intensidade da luz no detector. A intensidade resultante da luz após a mistura desses dois feixes é medida, ou o padrão das franjas de interferência é visualizado ou registrado. A maioria dos interferômetros discutidos neste artigo se enquadra nesta categoria.

A técnica heteródina é usada para (1) mudar um sinal de entrada para uma nova faixa de freqüência, bem como (2) amplificar um sinal de entrada fraco (assumindo o uso de um mixer ativo ). Um sinal de entrada fraco de frequência f 1 é misturado com uma frequência de referência forte f 2 de um oscilador local (LO). A combinação não linear dos sinais de entrada cria dois novos sinais, um na soma f 1  + f 2 das duas frequências e o outro na diferença f 1  - f 2 . Essas novas frequências são chamadas de heteródinas . Normalmente, apenas uma das novas frequências é desejada e o outro sinal é filtrado da saída do mixer. O sinal de saída terá uma intensidade proporcional ao produto das amplitudes dos sinais de entrada.

A aplicação mais importante e amplamente utilizada da técnica heteródina é no receptor superheteródino (superhet), inventado pelo engenheiro americano Edwin Howard Armstrong em 1918. Neste circuito, o sinal de radiofrequência de entrada da antena é misturado com um sinal de um local oscilador (LO) e convertido pela técnica heteródina para um sinal de frequência fixa inferior chamado de frequência intermediária (IF). Este FI é amplificado e filtrado, antes de ser aplicado a um detector que extrai o sinal de áudio, que é enviado para o alto-falante.

A detecção óptica heteródina é uma extensão da técnica heteródina para frequências mais altas (visíveis).

Embora a interferometria heteródina óptica seja geralmente feita em um único ponto, também é possível realizar este campo amplo.

Caminho duplo versus caminho comum

Figura 4. Quatro exemplos de interferômetros de caminho comum

Um interferômetro de caminho duplo é aquele em que o feixe de referência e o feixe de amostra viajam ao longo de caminhos divergentes. Os exemplos incluem o interferômetro Michelson , o interferômetro Twyman – Green e o interferômetro Mach – Zehnder . Depois de ser perturbado pela interação com a amostra em teste, o feixe de amostra é recombinado com o feixe de referência para criar um padrão de interferência que pode então ser interpretado.

Um interferômetro de caminho comum é uma classe de interferômetro em que o feixe de referência e o feixe de amostra viajam ao longo do mesmo caminho. A Fig. 4 ilustra o interferômetro de Sagnac , o giroscópio de fibra óptica , o interferômetro de difração de ponto e o interferômetro de cisalhamento lateral . Outros exemplos de interferômetro de caminho comum incluem o microscópio de contraste de fase Zernike , o biprisma de Fresnel , o Sagnac de área zero e o interferômetro de placa de dispersão .

Divisão de frente de onda versus divisão de amplitude

Inferômetros de divisão de Wavefront

Um interferômetro de divisão de frente de onda divide uma frente de onda de luz emergindo de um ponto ou uma fenda estreita ( ou seja, luz espacialmente coerente) e, após permitir que as duas partes da frente de onda viajem por caminhos diferentes, permite que elas se recombinem. A Fig. 5 ilustra o experimento de interferência de Young e o espelho de Lloyd . Outros exemplos de interferômetro de divisão de frente de onda incluem o biprisma de Fresnel, o Billet Bi-Lens e o interferômetro de Rayleigh .

Figura 5. Dois interferômetros de divisão de frente de onda

Em 1803, o experimento de interferência de Young desempenhou um papel importante na aceitação geral da teoria ondulatória da luz. Se a luz branca for usada no experimento de Young, o resultado é uma faixa central branca de interferência construtiva correspondente ao comprimento de caminho igual das duas fendas, cercada por um padrão simétrico de franjas coloridas de intensidade decrescente. Além da radiação eletromagnética contínua, o experimento de Young foi realizado com fótons individuais, com elétrons e com moléculas de buckyball grandes o suficiente para serem vistas em um microscópio eletrônico .

O espelho de Lloyd's gera franjas de interferência combinando luz direta de uma fonte (linhas azuis) e luz da imagem refletida da fonte (linhas vermelhas) de um espelho mantido em incidência rasante. O resultado é um padrão assimétrico de franjas. A faixa de comprimento de caminho igual, mais próxima do espelho, é mais escura do que clara. Em 1834, Humphrey Lloyd interpretou esse efeito como prova de que a fase de um feixe refletido na superfície frontal é invertida.

Inferômetros de divisão de amplitude

Figura 6. Três interferômetros de divisão de amplitude: Fizeau , Mach – Zehnder e Fabry Pérot .

Um interferômetro de divisão de amplitude usa um refletor parcial para dividir a amplitude da onda incidente em feixes separados que são separados e recombinados.

O interferômetro Fizeau é mostrado como pode ser configurado para testar um plano óptico . Um plano de referência precisamente calculado é colocado no topo do plano que está sendo testado, separado por espaçadores estreitos. O plano de referência é ligeiramente chanfrado (apenas uma fração de grau de chanfradura é necessária) para evitar que a superfície posterior do plano produza franjas de interferência. Separar os apartamentos de teste e de referência permite que os dois apartamentos sejam inclinados um em relação ao outro. Ao ajustar a inclinação, o que adiciona um gradiente de fase controlado ao padrão de franja, pode-se controlar o espaçamento e a direção das franjas, de modo que se possa obter uma série facilmente interpretada de franjas quase paralelas em vez de um redemoinho complexo de linhas de contorno. Separar as placas, no entanto, requer que a luz iluminante seja colimada. A Fig. 6 mostra um feixe colimado de luz monocromática iluminando os dois apartamentos e um divisor de feixe permitindo que as franjas sejam vistas no eixo.

O interferômetro Mach-Zehnder é um instrumento mais versátil do que o interferômetro Michelson. Cada um dos caminhos de luz bem separados é percorrido apenas uma vez, e as franjas podem ser ajustadas para que sejam localizadas em qualquer plano desejado. Normalmente, as franjas seriam ajustadas para ficar no mesmo plano do objeto de teste, de modo que as franjas e o objeto de teste pudessem ser fotografados juntos. Se for decidido produzir franjas na luz branca, então, como a luz branca tem um comprimento de coerência limitado , da ordem dos micrômetros , deve-se tomar muito cuidado para equalizar os caminhos ópticos ou nenhuma franja será visível. Conforme ilustrado na Fig. 6, uma célula de compensação seria colocada no caminho do feixe de referência para coincidir com a célula de teste. Observe também a orientação precisa dos divisores de feixe. As superfícies refletoras dos divisores de feixe seriam orientadas de modo que os feixes de teste e de referência passassem por uma quantidade igual de vidro. Nesta orientação, os feixes de teste e de referência experimentam, cada um, duas reflexões da superfície frontal, resultando no mesmo número de inversões de fase. O resultado é que a luz viajando em um comprimento de caminho óptico igual nos feixes de teste e de referência produz uma faixa de luz branca de interferência construtiva.

O coração do interferômetro Fabry-Pérot é um par de planos óticos de vidro parcialmente prateados, separados por vários milímetros a centímetros, com as superfícies prateadas voltadas uma para a outra. (Alternativamente, um Fabry-Pérot etalon usa uma placa transparente com duas superfícies refletoras paralelas.) Tal como acontece com o interferômetro Fizeau, os planos são ligeiramente chanfrados. Em um sistema típico, a iluminação é fornecida por uma fonte difusa definida no plano focal de uma lente de colimação. Uma lente de foco produz o que seria uma imagem invertida da fonte se os planos emparelhados não estivessem presentes; ou seja, na ausência de pares planos, toda a luz emitida pelo ponto A que passa pelo sistema óptico seria focalizada no ponto A '. Na Fig. 6, apenas um raio emitido do ponto A na fonte é traçado. Conforme o raio passa pelos planos emparelhados, ele é refletido de forma múltipla para produzir vários raios transmitidos que são coletados pela lente de foco e trazidos para o ponto A 'na tela. O padrão de interferência completo tem a aparência de um conjunto de anéis concêntricos. A nitidez dos anéis depende da refletividade dos apartamentos. Se a refletividade for alta, resultando em um alto fator Q ( ou seja, alta finesse), a luz monocromática produz um conjunto de anéis estreitos e brilhantes contra um fundo escuro. Na Fig. 6, a imagem de baixa sutileza corresponde a uma refletividade de 0,04 ( ou seja, superfícies não prateadas) versus uma refletividade de 0,95 para a imagem de alta sutileza.

A Fig. 6 ilustra os interferômetros Fizeau, Mach – Zehnder e Fabry – Pérot. Outros exemplos de interferômetro de divisão de amplitude incluem o interferômetro Michelson , Twyman – Green , Laser Unequal Path e Linnik .

Michelson-Morley

Michelson e Morley (1887) e outros primeiros experimentalistas usando técnicas interferométricas na tentativa de medir as propriedades do éter luminífero , usaram luz monocromática apenas para a configuração inicial de seus equipamentos, sempre mudando para luz branca para as medições reais. O motivo é que as medições foram registradas visualmente. A luz monocromática resultaria em um padrão de franja uniforme. Na falta de meios modernos de controle da temperatura ambiental , os experimentalistas lutaram contra a deriva contínua das franjas, embora o interferômetro pudesse ser instalado em um porão. Como as franjas ocasionalmente desapareciam devido às vibrações do tráfego de cavalos, tempestades distantes e semelhantes, seria fácil para um observador "se perder" quando as franjas voltassem à visibilidade. As vantagens da luz branca, que produzia um padrão de franja colorido distinto, superavam em muito as dificuldades de alinhar o aparelho devido ao seu baixo comprimento de coerência . Este foi um dos primeiros exemplos do uso de luz branca para resolver a "ambigüidade de 2 pi".

Formulários

Física e astronomia

Na física, um dos experimentos mais importantes do final do século 19 foi o famoso "experimento fracassado" de Michelson e Morley, que forneceu evidências da relatividade especial . Repetições recentes do experimento Michelson-Morley realizam medições heteródinas de frequências de batimento de ressonadores ópticos criogênicos cruzados . A Fig. 7 ilustra um experimento com ressonador realizado por Müller et al. em 2003. Dois ressonadores ópticos construídos de safira cristalina, controlando as frequências de dois lasers, foram colocados em ângulos retos dentro de um criostato de hélio. Um comparador de frequência mediu a frequência de batimento das saídas combinadas dos dois ressonadores. A partir de 2009, a precisão pela qual a anisotropia da velocidade da luz pode ser excluída em experimentos com ressonador está no nível 10-17 .

MMX com ressonadores ópticos.svg
Figura 7. Experiência de Michelson-Morley com
ressonadores ópticos criogênicos
Fourier transform Spectrometer.png
Figura 8. Espectroscopia de transformada de Fourier

Figura 9. Uma foto da coroa solar tirada
com o coronógrafo LASCO C1

Os interferômetros de Michelson são usados ​​em filtros ópticos de banda estreita sintonizáveis ​​e como o principal componente de hardware dos espectrômetros de transformada de Fourier .

Quando usados ​​como um filtro de banda estreita ajustável, os interferômetros de Michelson exibem uma série de vantagens e desvantagens quando comparados com tecnologias concorrentes, como interferômetros Fabry-Pérot ou filtros Lyot . Os interferômetros de Michelson têm o maior campo de visão para um comprimento de onda especificado e são relativamente simples de operação, uma vez que o ajuste é feito por meio da rotação mecânica das placas de onda, em vez do controle de alta tensão de cristais piezoelétricos ou moduladores ópticos de niobato de lítio usados ​​em um sistema Fabry-Pérot . Em comparação com os filtros Lyot, que usam elementos birrefringentes, os interferômetros de Michelson têm uma sensibilidade de temperatura relativamente baixa. Do lado negativo, os interferômetros de Michelson têm uma faixa de comprimento de onda relativamente restrita e requerem o uso de pré-filtros que restringem a transmitância.

A Fig. 8 ilustra a operação de um espectrômetro de transformada de Fourier, que é essencialmente um interferômetro de Michelson com um espelho móvel. (Um espectrômetro de transformada de Fourier prático substituiria os refletores de cubo de canto pelos espelhos planos do interferômetro de Michelson convencional, mas para simplificar, a ilustração não mostra isso.) Um interferograma é gerado fazendo medições do sinal em muitas posições discretas do movimento espelho. Uma transformada de Fourier converte o interferograma em um espectro real.

A Fig. 9 mostra uma imagem doppler da corona solar feita usando um interferômetro Fabry-Pérot ajustável para recuperar varreduras da corona solar em uma série de comprimentos de onda próximos à linha verde FeXIV. A imagem é uma imagem codificada por cores do deslocamento doppler da linha, que pode estar associada à velocidade do plasma coronal em direção ou afastamento da câmera de satélite.

Os etalons de filme fino Fabry – Pérot são usados ​​em filtros de passagem de banda estreitos, capazes de selecionar uma única linha espectral para geração de imagens; por exemplo, a linha H-alfa ou a linha Ca-K do Sol ou das estrelas. A Fig. 10 mostra uma imagem do Telescópio de Imagem ultravioleta Extrema (EIT) do Sol a 195 Ângströms (19,5 nm), correspondendo a uma linha espectral de átomos de ferro multi-ionizados. O EIT usou espelhos reflexivos multicamadas revestidos com camadas alternadas de um elemento "espaçador" leve (como o silício) e um elemento "dispersor" pesado (como o molibdênio). Aproximadamente 100 camadas de cada tipo foram colocadas em cada espelho, com uma espessura de cerca de 10 nm cada. As espessuras das camadas foram rigidamente controladas de modo que, no comprimento de onda desejado, os fótons refletidos de cada camada interferissem construtivamente.

O Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) usa dois interferômetros Michelson – Fabry – Pérot de 4 km para a detecção de ondas gravitacionais . Nesta aplicação, a cavidade Fabry – Pérot é usada para armazenar fótons por quase um milissegundo enquanto eles saltam para cima e para baixo entre os espelhos. Isso aumenta o tempo que uma onda gravitacional pode interagir com a luz, o que resulta em uma melhor sensibilidade em baixas frequências. Cavidades menores, geralmente chamadas de limpadores de modo, são usadas para filtragem espacial e estabilização de frequência do laser principal. A primeira observação das ondas gravitacionais ocorreu em 14 de setembro de 2015.

O espaço de trabalho relativamente grande e de livre acesso do interferômetro Mach-Zehnder e sua flexibilidade na localização das franjas o tornaram o interferômetro de escolha para visualizar o fluxo em túneis de vento e para estudos de visualização de fluxo em geral. É freqüentemente usado nas áreas de aerodinâmica, física de plasma e transferência de calor para medir mudanças de pressão, densidade e temperatura em gases.

Os interferômetros Mach-Zehnder também são usados ​​para estudar uma das previsões mais contra-intuitivas da mecânica quântica, o fenômeno conhecido como emaranhamento quântico .

Figura 11. O interferômetro VLA

Um interferômetro astronômico realiza observações de alta resolução usando a técnica de síntese de abertura , misturando sinais de um agrupamento de telescópios comparativamente pequenos, em vez de um único telescópio monolítico muito caro.

Os primeiros interferômetros de radiotelescópio usavam uma única linha de base para medição. Os interferômetros astronômicos posteriores, como o Very Large Array ilustrado na Fig. 11, usaram conjuntos de telescópios dispostos em um padrão no solo. Um número limitado de linhas de base resultará em cobertura insuficiente. Isso foi aliviado com o uso da rotação da Terra para girar a matriz em relação ao céu. Assim, uma única linha de base pode medir informações em várias orientações, fazendo medições repetidas, uma técnica chamada síntese de rotação da Terra . Linhas de base com milhares de quilômetros de extensão foram alcançadas usando interferometria de linha de base muito longa .

ALMA é um interferômetro astronômico localizado no Planalto Chajnantor

A interferometria óptica astronômica teve que superar uma série de questões técnicas não compartilhadas pela interferometria do radiotelescópio. Os comprimentos de onda curtos da luz exigem extrema precisão e estabilidade de construção. Por exemplo, a resolução espacial de 1 miliarcsegundo requer 0,5 µm de estabilidade em uma linha de base de 100 m. As medições interferométricas ópticas requerem detectores de alta sensibilidade e baixo ruído que não estavam disponíveis até o final da década de 1990. A "visão" astronômica , a turbulência que faz as estrelas piscarem, introduz mudanças de fase rápidas e aleatórias na luz incidente, exigindo que as taxas de coleta de dados em quilohertz sejam mais rápidas do que a taxa de turbulência. Apesar dessas dificuldades técnicas, três grandes instalações estão agora em operação, oferecendo soluções até a faixa fracionária de miliarcsegundos. Este vídeo vinculado mostra um filme montado a partir de imagens de síntese de abertura do sistema Beta Lyrae , um sistema estelar binário a aproximadamente 960 anos-luz (290 parsecs) de distância na constelação de Lyra, conforme observado pela matriz CHARA com o instrumento MIRC. O componente mais brilhante é a estrela primária, ou doador de massa. O componente mais fraco é o disco espesso que envolve a estrela secundária, ou o ganhador de massa. Os dois componentes são separados por 1 milissegundo de arco. Distorções de maré do doador de massa e do ganhador de massa são claramente visíveis.

O caráter ondulatório da matéria pode ser explorado para construir interferômetros. Os primeiros exemplos de interferômetros de matéria foram interferômetros de elétrons , mais tarde seguidos por interferômetros de nêutrons . Por volta de 1990, os primeiros interferômetros de átomo foram demonstrados, mais tarde seguidos por interferômetros que empregam moléculas.

A holografia de elétrons é uma técnica de imagem que registra fotograficamente o padrão de interferência de elétrons de um objeto, que é então reconstruído para produzir uma imagem bastante ampliada do objeto original. 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 interferometria de nêutrons foi usada para investigar o efeito Aharonov-Bohm , para examinar os efeitos da ação da gravidade sobre uma partícula elementar e para demonstrar um comportamento estranho dos férmions que está na base do princípio de exclusão de Pauli : Ao contrário dos objetos macroscópicos, quando os férmions são girados 360 ° em torno de qualquer eixo, eles não retornam ao seu estado original, mas desenvolvem um sinal negativo em sua função de onda. Em outras palavras, um férmion precisa ser girado 720 ° antes de retornar ao seu estado original.

As técnicas de interferometria atômica estão atingindo precisão suficiente para permitir testes de relatividade geral em escala de laboratório .

Os interferômetros são usados ​​na física atmosférica para medições de alta precisão de gases traço por meio de sondagem remota da atmosfera. Existem vários exemplos de interferômetros que utilizam recursos de absorção ou emissão de gases traço. Um uso típico seria no monitoramento contínuo da concentração da coluna de gases traço, como ozônio e monóxido de carbono, acima do instrumento.

Engenharia e ciência aplicada

Figura 13. Franjas de interferência planas ópticas. (esquerda) superfície plana, (direita) superfície curva.
Como as franjas de interferência são formadas por um plano óptico apoiado em uma superfície reflexiva. A lacuna entre as superfícies e o comprimento de onda das ondas de luz é muito exagerada.

A interferometria de Newton (placa de teste) é frequentemente usada na indústria óptica para testar a qualidade das superfícies à medida que estão sendo moldadas e figuradas. A Fig. 13 mostra fotos de apartamentos de referência sendo usados ​​para verificar dois apartamentos de teste em diferentes estágios de conclusão, mostrando os diferentes padrões de franjas de interferência. Os planos de referência ficam com suas superfícies inferiores em contato com os planos de teste e são iluminados por uma fonte de luz monocromática. As ondas de luz refletidas de ambas as superfícies interferem, resultando em um padrão de faixas claras e escuras. A superfície na foto à esquerda é quase plana, indicada por um padrão de franjas de interferência paralelas retas em intervalos iguais. A superfície da foto direita é irregular, resultando em um padrão de franjas curvas. Cada par de franjas adjacentes representa uma diferença na elevação da superfície de meio comprimento de onda da luz usada, portanto, as diferenças na elevação podem ser medidas contando as franjas. O nivelamento das superfícies pode ser medido em milionésimos de polegada por este método. Para determinar se a superfície testada é côncava ou convexa em relação ao plano óptico de referência, qualquer um dos vários procedimentos pode ser adotado. Pode-se observar como as franjas se deslocam quando pressionamos suavemente a parte superior plana. Se observarmos as franjas na luz branca, a sequência de cores torna-se familiar com a experiência e ajuda na interpretação. Finalmente, pode-se comparar a aparência das franjas conforme se move a cabeça de uma posição de visualização normal para uma posição oblíqua. Esses tipos de manobras, embora comuns na oficina ótica, não são adequados em um ambiente de teste formal. Quando os flats estão prontos para venda, eles normalmente são montados em um interferômetro Fizeau para teste formal e certificação.

Os etalons Fabry-Pérot são amplamente usados ​​em telecomunicações , lasers e espectroscopia para controlar e medir os comprimentos de onda da luz. Filtros dicróicos são etalons de película fina de múltiplas camadas . Em telecomunicações, a multiplexação por divisão de comprimento de onda , a tecnologia que permite o uso de vários comprimentos de onda de luz por meio de uma única fibra óptica, depende de dispositivos de filtragem que são etalons de filme fino. Lasers de modo único empregam etalons para suprimir todos os modos de cavidade óptica, exceto o único de interesse.

Figura 14. Interferômetro Twyman-Green

O interferômetro Twyman-Green, inventado por Twyman e Green em 1916, é uma variante do interferômetro Michelson amplamente usado para testar componentes ópticos. As características básicas que o distinguem da configuração de Michelson são o uso de uma fonte de luz pontual monocromática e um colimador. Michelson (1918) criticou a configuração Twyman-Green como inadequada para o teste de grandes componentes ópticos, uma vez que as fontes de luz disponíveis na época tinham comprimento de coerência limitado . Michelson apontou que as restrições na geometria forçadas pelo comprimento de coerência limitado exigiam o uso de um espelho de referência de tamanho igual ao do espelho de teste, tornando o Twyman-Green impraticável para muitos propósitos. Décadas depois, o advento das fontes de luz laser respondeu às objeções de Michelson. (Um interferômetro Twyman-Green usando uma fonte de luz laser e comprimento de caminho desigual é conhecido como Interferômetro de Caminho Desigual a Laser, ou LUPI.) A Fig. 14 ilustra um interferômetro Twyman-Green configurado para testar uma lente. A luz de uma fonte pontual monocromática é expandida por uma lente divergente (não mostrada) e, em seguida, é colimada em um feixe paralelo. Um espelho esférico convexo é posicionado de forma que seu centro de curvatura coincida com o foco da lente que está sendo testada. O feixe emergente é registrado por um sistema de imagem para análise.

Os interferômetros Mach-Zehnder estão sendo usados ​​em circuitos ópticos integrados , nos quais a luz interfere entre dois ramos de um guia de ondas que são modulados externamente para variar sua fase relativa. Uma leve inclinação de um dos divisores de feixe resultará em uma diferença de caminho e uma mudança no padrão de interferência. Os interferômetros Mach-Zehnder são a base de uma ampla variedade de dispositivos, de moduladores de RF a sensores e interruptores ópticos .

Os mais recentes telescópios astronômicos extremamente grandes propostos , como o Thirty Meter Telescope e o Extremely Large Telescope , serão de design segmentado. Seus espelhos primários serão construídos a partir de centenas de segmentos de espelhos hexagonais. O polimento e o cálculo desses segmentos de espelho altamente asféricos e não rotacionais simétricos representam um grande desafio. Os meios tradicionais de teste óptico comparam uma superfície com uma referência esférica com o auxílio de um corretor nulo . Nos últimos anos, hologramas gerados por computador (CGHs) começaram a suplementar os corretores nulos em configurações de teste para superfícies asféricas complexas. A Fig. 15 ilustra como isso é feito. Ao contrário da figura, os CGHs reais têm espaçamento entre linhas da ordem de 1 a 10 µm. Quando a luz do laser passa pelo CGH, o feixe difratado de ordem zero não sofre modificação da frente de onda. A frente de onda do feixe difratado de primeira ordem, no entanto, é modificada para coincidir com a forma desejada da superfície de teste. Na configuração de teste do interferômetro Fizeau ilustrado, o feixe difratado de ordem zero é direcionado para a superfície de referência esférica e o feixe difratado de primeira ordem é direcionado para a superfície de teste de tal forma que os dois feixes refletidos se combinam para formar franjas de interferência. A mesma configuração de teste pode ser usada para os espelhos mais internos e externos, com apenas o CGH precisando ser trocado.

Figura 15. Teste óptico com um interferômetro Fizeau e um holograma gerado por computador

Giroscópios de laser anel (RLGs) e giroscópios de fibra óptica (FOGs) são interferômetros usados ​​em sistemas de navegação. Eles operam com base no princípio do efeito Sagnac . A distinção entre RLGs e FOGs é que em um RLG, todo o anel é parte do laser, enquanto em um FOG, um laser externo injeta feixes de contra-propagação em um anel de fibra óptica e a rotação do sistema causa uma mudança de fase relativa entre essas vigas. Em um RLG, o deslocamento de fase observado é proporcional à rotação acumulada, enquanto em um FOG, o deslocamento de fase observado é proporcional à velocidade angular.

Em redes de telecomunicações, a heterodinação é usada para mover frequências de sinais individuais para diferentes canais que podem compartilhar uma única linha de transmissão física. Isso é chamado de multiplexação por divisão de frequência (FDM). Por exemplo, um cabo coaxial usado por um sistema de televisão a cabo pode transportar 500 canais de televisão ao mesmo tempo, porque cada um recebe uma frequência diferente, de modo que não interferem um no outro. Os detectores de radar doppler de onda contínua (CW) são basicamente dispositivos de detecção heteródinos que comparam feixes transmitidos e refletidos.

A detecção óptica heteródina é usada para medições Doppler lidar coerentes, capazes de detectar luz muito fraca espalhada na atmosfera e monitorar a velocidade do vento com alta precisão. Tem aplicação em comunicações de fibra óptica , em várias técnicas espectroscópicas de alta resolução, e o método auto-heteródino pode ser usado para medir a largura de linha de um laser.

Figura 16. Pente de freqüência de um laser de modo bloqueado. As linhas tracejadas representam uma extrapolação das frequências de modo em direção à frequência do deslocamento do envelope da portadora (CEO). A linha cinza vertical representa uma frequência óptica desconhecida. As linhas pretas horizontais indicam as duas medições de frequência de batimento mais baixas.

A detecção ótica heteródina é uma técnica essencial usada em medições de alta precisão das frequências de fontes óticas, bem como na estabilização de suas frequências. Até há relativamente poucos anos, longas cadeias de frequência eram necessárias para conectar a frequência de micro-ondas de um césio ou outra fonte de tempo atômica às frequências ópticas. Em cada etapa da cadeia, um multiplicador de frequência seria usado para produzir um harmônico da frequência dessa etapa, que seria comparado por detecção heteródina com a próxima etapa (a saída de uma fonte de micro-ondas, laser infravermelho distante, laser infravermelho, ou laser visível). Cada medição de uma única linha espectral exigiu vários anos de esforço na construção de uma cadeia de frequência personalizada. Atualmente, os combs de frequência óptica forneceram um método muito mais simples de medir frequências ópticas. Se um laser de modo bloqueado é modulado para formar um trem de pulsos, seu espectro é visto como consistindo na frequência da portadora cercada por um pente estreitamente espaçado de frequências de banda lateral óptica com um espaçamento igual à frequência de repetição do pulso (Fig. 16). A frequência de repetição do pulso é bloqueada para o padrão de frequência , e as frequências dos elementos do pente na extremidade vermelha do espectro são duplicadas e heterodinadas com as frequências dos elementos do pente na extremidade azul do espectro, permitindo assim o pente para servir como sua própria referência. Desta forma, o bloqueio da saída do pente de frequência para um padrão atômico pode ser realizado em uma única etapa. Para medir uma frequência desconhecida, a saída do pente de frequência é dispersa em um espectro. A frequência desconhecida é sobreposta ao segmento espectral apropriado do pente e a frequência das batidas heteródinas resultantes é medida.

Uma das aplicações industriais mais comuns da interferometria óptica é como uma ferramenta de medição versátil para o exame de alta precisão da topografia de superfície. As técnicas de medição interferométrica populares incluem interferometria de deslocamento de fase (PSI) e interferometria de varredura vertical (VSI), também conhecida como interferometria de luz branca de varredura (SWLI) ou pelo termo ISO Interferometria de varredura de coerência (CSI), CSI explora a coerência para estender a faixa de recursos para microscopia de interferência. Essas técnicas são amplamente utilizadas na fabricação microeletrônica e micro-óptica. PSI usa luz monocromática e fornece medições muito precisas; no entanto, só pode ser usado em superfícies muito lisas. O CSI geralmente usa luz branca e altas aberturas numéricas e, em vez de olhar para a fase das franjas, como faz o PSI, procura a melhor posição de contraste máximo das franjas ou alguma outra característica do padrão geral das franjas. Em sua forma mais simples, o CSI fornece medições menos precisas do que o PSI, mas pode ser usado em superfícies ásperas. Algumas configurações de CSI, também conhecidas como VSI aprimorado (EVSI), SWLI de alta resolução ou Análise de domínio de frequência (FDA), usam efeitos de coerência em combinação com fase de interferência para aumentar a precisão.

Figura 17. Interferômetros de deslocamento de fase e varredura de coerência

A interferometria de deslocamento de fase aborda várias questões associadas à análise clássica de interferogramas estáticos. Classicamente, mede-se as posições dos centros das franjas. Como visto na Fig. 13, os desvios das franjas em relação à retidão e espaçamento igual fornecem uma medida da aberração. Erros na determinação da localização dos centros das franjas fornecem o limite inerente à precisão da análise clássica, e quaisquer variações de intensidade ao longo do interferograma também introduzirão erro. Há uma compensação entre a precisão e o número de pontos de dados: franjas próximas fornecem muitos pontos de dados de baixa precisão, enquanto franjas muito espaçadas fornecem um número baixo de pontos de dados de alta precisão. Uma vez que os dados do centro periférico são tudo o que se usa na análise clássica, todas as outras informações que poderiam teoricamente ser obtidas por uma análise detalhada das variações de intensidade em um interferograma são descartadas. Finalmente, com interferogramas estáticos, informações adicionais são necessárias para determinar a polaridade da frente de onda: Na Fig. 13, pode-se ver que a superfície testada à direita se desvia do nivelamento, mas não se pode dizer a partir desta única imagem se este desvio do nivelamento é côncavo ou convexo. Tradicionalmente, essas informações seriam obtidas por meios não automatizados, como, por exemplo, observando a direção em que as franjas se movem quando a superfície de referência é empurrada.

A interferometria de deslocamento de fase supera essas limitações, não confiando na localização de centros periféricos, mas na coleta de dados de intensidade de cada ponto do sensor de imagem CCD . Como visto na Fig. 17, vários interferogramas (pelo menos três) são analisados ​​com a superfície óptica de referência deslocada por uma fração precisa de um comprimento de onda entre cada exposição usando um transdutor piezoelétrico (PZT). Alternativamente, deslocamentos de fase precisos podem ser introduzidos modulando a frequência do laser. As imagens capturadas são processadas por um computador para calcular os erros ópticos de frente de onda. A precisão e reprodutibilidade do PSI é muito maior do que o possível na análise de interferograma estático, com repetibilidade de medição de um centésimo de comprimento de onda sendo rotina. A tecnologia de deslocamento de fase foi adaptada a uma variedade de tipos de interferômetros, como Twyman – Green, Mach – Zehnder, laser Fizeau e até mesmo configurações de caminho comuns, como difração de ponto e interferômetros de cisalhamento lateral. Mais geralmente, as técnicas de deslocamento de fase podem ser adaptadas a quase qualquer sistema que usa franjas para medição, como interferometria holográfica e salpicada.

Figura 18. Células lunadas de Nepenthes khasiana visualizadas por varredura de interferometria de luz branca (SWLI)
Figura 19. Interferômetro Twyman-Green configurado como um scanner de luz branca

Na interferometria de varredura de coerência , a interferência só é alcançada quando os atrasos do comprimento do caminho do interferômetro são combinados dentro do tempo de coerência da fonte de luz. O CSI monitora o contraste das franjas em vez da fase das franjas. A Fig. 17 ilustra um microscópio CSI usando um interferômetro Mirau na objetiva; outras formas de interferômetro usadas com luz branca incluem o interferômetro Michelson (para objetivas de baixa ampliação, onde o espelho de referência em uma objetiva Mirau interromperia muito a abertura) e o interferômetro Linnik (para objetivas de alta ampliação com distância de trabalho limitada). A amostra (ou alternativamente, a objetiva) é movida verticalmente ao longo de toda a faixa de altura da amostra e a posição de contraste máximo da franja é encontrada para cada pixel. O principal benefício da interferometria de varredura de coerência é que os sistemas podem ser projetados para não sofrerem da ambiguidade de 2 pi da interferometria coerente e, como pode ser visto na Fig. 18, que faz a varredura de um volume de 180μm x 140μm x 10μm, é adequado para perfis etapas e superfícies ásperas. A resolução axial do sistema é determinada em parte pelo comprimento de coerência da fonte de luz. As aplicações industriais incluem metrologia de superfície em processo , medição de rugosidade, metrologia de superfície 3D em espaços de difícil acesso e em ambientes hostis, perfilometria de superfícies com características de alta proporção de aspecto (ranhuras, canais, orifícios) e medição de espessura de filme (semi- condutores e indústrias ópticas, etc.).

A Fig. 19 ilustra um interferômetro Twyman-Green configurado para varredura de luz branca de um objeto macroscópico.

A interferometria holográfica é uma técnica que usa holografia para monitorar pequenas deformações em implementações de comprimento de onda único. Em implementações de vários comprimentos de onda, é usado para realizar metrologia dimensional de peças e conjuntos grandes e para detectar defeitos de superfície maiores.

A interferometria holográfica foi descoberta acidentalmente como resultado de erros cometidos durante a confecção de hologramas. Os primeiros lasers eram relativamente fracos e as placas fotográficas eram insensíveis, necessitando de longas exposições durante as quais vibrações ou pequenas mudanças poderiam ocorrer no sistema óptico. Os hologramas resultantes, que mostravam o objeto holográfico coberto por franjas, foram considerados arruinados.

Eventualmente, vários grupos independentes de experimentadores em meados dos anos 60 perceberam que as franjas codificavam informações importantes sobre as mudanças dimensionais que ocorriam no sujeito e começaram a produzir intencionalmente exposições duplas holográficas. O principal artigo sobre interferometria holográfica cobre as disputas sobre a prioridade de descoberta que ocorreram durante a emissão da patente para este método.

A holografia de exposição dupla e múltipla é um dos três métodos usados ​​para criar interferogramas holográficos. Uma primeira exposição registra o objeto em um estado não estressado. As exposições subsequentes na mesma chapa fotográfica são feitas enquanto o objeto está sujeito a algum estresse. A imagem composta mostra a diferença entre os estados de estresse e não de estresse.

A holografia em tempo real é um segundo método de criação de interferogramas holográficos. Uma holografia do objeto não estressado é criada. Este holograma é iluminado com um feixe de referência para gerar uma imagem de holograma do objeto diretamente sobreposta ao próprio objeto original enquanto o objeto está sendo submetido a algum estresse. As ondas do objeto a partir desta imagem do holograma irão interferir com as novas ondas provenientes do objeto. Esta técnica permite o monitoramento em tempo real das mudanças de forma.

O terceiro método, holografia de média temporal, envolve a criação de uma holografia enquanto o objeto é submetido a uma tensão ou vibração periódica. Isso produz uma imagem visual do padrão de vibração.

O radar interferométrico de abertura sintética (InSAR) é uma técnica de radar usada em geodésia e sensoriamento remoto . As imagens de radar de abertura sintética de satélite de uma característica geográfica são obtidas em dias separados, e as mudanças ocorridas entre as imagens de radar obtidas em dias separados são registradas como franjas semelhantes às obtidas na interferometria holográfica. A técnica pode monitorar deformações em escala centimétrica a milimétrica resultante de terremotos, vulcões e deslizamentos de terra, e também tem aplicações em engenharia estrutural, em particular para monitoramento de subsidência e estabilidade estrutural. A Fig 20 mostra o Kilauea, um vulcão ativo no Havaí. Os dados adquiridos usando o radar de abertura sintética da banda X da Endeavour em 13 de abril de 1994 e 4 de outubro de 1994 foram usados ​​para gerar franjas interferométricas, que foram sobrepostas na imagem X-SAR de Kilauea.

A interferometria de padrão de manchas eletrônicas (ESPI), também conhecida como holografia de TV, usa detecção e gravação de vídeo para produzir uma imagem do objeto sobre a qual é sobreposto um padrão de franja que representa o deslocamento do objeto entre as gravações. (ver Fig. 21) As franjas são semelhantes às obtidas na interferometria holográfica.

Quando os lasers foram inventados, a mancha de laser foi considerada uma grande desvantagem no uso de lasers para iluminar objetos, principalmente em imagens holográficas, devido à imagem granulada produzida. Mais tarde, percebeu-se que os padrões de manchas podem transportar informações sobre as deformações da superfície do objeto. Butters e Leendertz desenvolveram a técnica de interferometria de padrão speckle em 1970 e, desde então, o speckle tem sido explorado em uma variedade de outras aplicações. É feita uma fotografia do padrão pontilhado antes da deformação e uma segunda fotografia é feita do padrão pontilhado após a deformação. A subtração digital das duas imagens resulta em um padrão de franja de correlação, onde as franjas representam linhas de deformação igual. Pulsos de laser curtos na faixa de nanossegundos podem ser usados ​​para capturar eventos transitórios muito rápidos. Existe um problema de fase: na ausência de outras informações, não se pode dizer a diferença entre as linhas de contorno que indicam um pico e as linhas de contorno que indicam um vale. Para resolver o problema de ambigüidade de fase, ESPI pode ser combinado com métodos de deslocamento de fase.

Um método de estabelecer linhas de base geodésicas precisas , inventado por Yrjö Väisälä , explorou o comprimento de baixa coerência da luz branca. Inicialmente, a luz branca foi dividida em dois, com o feixe de referência "dobrado", saltando para a frente e para trás seis vezes entre um par de espelhos espaçados precisamente 1 m um do outro. Somente se o caminho de teste fosse exatamente 6 vezes o caminho de referência, as franjas seriam vistas. As aplicações repetidas deste procedimento permitiram medições precisas de distâncias de até 864 metros. As linhas de base assim estabelecidas foram usadas para calibrar equipamentos de medição de distância geodésica, levando a uma escala metrologicamente rastreável para redes geodésicas medidas por esses instrumentos. (Este método foi substituído pelo GPS.)

Outros usos de interferômetros têm sido estudar a dispersão de materiais, medição de índices complexos de refração e propriedades térmicas. Eles também são usados ​​para mapeamento de movimento tridimensional, incluindo mapeamento de padrões vibracionais de estruturas.

Biologia e medicina

A interferometria óptica, aplicada à biologia e medicina, fornece recursos de metrologia sensível para a medição de biomoléculas, componentes subcelulares, células e tecidos. Muitas formas de biossensores livres de marcadores dependem da interferometria porque a interação direta dos campos eletromagnéticos com a polarizabilidade molecular local elimina a necessidade de marcadores fluorescentes ou marcadores de nanopartículas. Em uma escala maior, a interferometria celular compartilha aspectos com a microscopia de contraste de fase, mas compreende uma classe muito maior de configurações ópticas sensíveis à fase que dependem da interferência óptica entre os constituintes celulares por meio de refração e difração. Na escala do tecido, a propagação da luz dispersa para frente parcialmente coerente através das micro aberrações e heterogeneidade da estrutura do tecido oferece oportunidades para usar gating sensível à fase (tomografia de coerência óptica), bem como espectroscopia de flutuação sensível à fase para propriedades dinâmicas e estruturais sutis de imagem .

OCT B-Scan Setup-en.svg
Figura 22. Configuração óptica típica de OCT de ponto único
      Retinopatia serosa central.jpg
Figura 23. Retinopatia serosa central , obtida por imagem usando
tomografia de coerência óptica

A tomografia de coerência óptica (OCT) é uma técnica de imagem médica que usa interferometria de baixa coerência para fornecer visualização tomográfica de microestruturas de tecido interno. Conforme visto na Fig. 22, o núcleo de um sistema OCT típico é um interferômetro de Michelson. Um braço de interferômetro é focalizado na amostra de tecido e faz a varredura da amostra em um padrão de varredura longitudinal XY. O outro braço do interferômetro é refletido em um espelho de referência. A luz refletida da amostra de tecido é combinada com a luz refletida da referência. Devido à baixa coerência da fonte de luz, o sinal interferométrico é observado apenas em uma profundidade limitada de amostra. A varredura XY, portanto, registra uma fatia óptica fina da amostra por vez. Ao realizar múltiplas varreduras, movendo o espelho de referência entre cada varredura, uma imagem tridimensional inteira do tecido pode ser reconstruída. Avanços recentes têm se esforçado para combinar a recuperação de fase nanométrica da interferometria coerente com a capacidade de alcance da interferometria de baixa coerência.

A microscopia de contraste de fase e contraste de interferência diferencial (DIC) são ferramentas importantes na biologia e na medicina. A maioria das células animais e organismos unicelulares tem muito pouca cor e suas organelas intracelulares são quase totalmente invisíveis sob a simples iluminação de campo brilhante . Essas estruturas podem ser tornadas visíveis pela coloração das amostras, mas os procedimentos de coloração são demorados e matam as células. Conforme visto nas Figs. 24 e 25, microscópios de contraste de fase e DIC permitem o estudo de células vivas não coradas. O DIC também tem aplicações não biológicas, por exemplo, na análise do processamento planar de semicondutores de silício .

A interferometria de baixa coerência resolvida por ângulo (a / LCI) usa luz espalhada para medir os tamanhos de objetos subcelulares, incluindo núcleos celulares . Isso permite que as medições de profundidade de interferometria sejam combinadas com medições de densidade. Várias correlações foram encontradas entre o estado de saúde do tecido e as medições de objetos subcelulares. Por exemplo, descobriu-se que à medida que o tecido muda de normal para canceroso, o tamanho médio dos núcleos das células aumenta.

A imagem de raios-X com contraste de fase (Fig. 26) refere-se a uma variedade de técnicas que usam informações de fase de um feixe de raios-X coerente para obter imagens dos tecidos moles. (Para uma discussão elementar, consulte Imagens de raios-X com contraste de fase (introdução) . Para uma revisão mais aprofundada, consulte Imagens de raios-X com contraste de fase .) Tornou-se um método importante para visualizar estruturas celulares e histológicas em um ampla gama de estudos biológicos e médicos. Existem várias tecnologias sendo usadas para imagens de contraste de fase de raios-X, todas utilizando princípios diferentes para converter variações de fase nos raios-X que emergem de um objeto em variações de intensidade. Isso inclui contraste de fase baseado em propagação, interferometria Talbot , interferometria de campo distante baseada em Moiré , imagem aprimorada por refração e interferometria de raios-X. Esses métodos fornecem contraste mais alto em comparação com a imagem de raio-X com contraste de absorção normal, tornando possível ver detalhes menores. Uma desvantagem é que esses métodos requerem equipamentos mais sofisticados, como fontes de raios X síncrotron ou microfoco , ótica de raios X ou detectores de raios X de alta resolução.

Veja também

Referências