Common-path interferometer
En interferometer med gemensam väg är en klass av interferometrar där referensstrålen och provstrålarna färdas längs samma väg. Exempel inkluderar Sagnac-interferometern , Zernike-faskontrastinterferometern och punktdiffraktionsinterferometern . En common-path-interferometer är i allmänhet mer robust mot miljövibrationer än en "dubbelvägsinterferometer" som Michelson-interferometern eller Mach-Zehnder-interferometern . Även om de färdas längs samma bana, kan referens- och sampelstrålarna färdas längs motsatta riktningar, eller så kan de färdas längs samma riktning men med samma eller olika polarisation.
Dubbelvägsinterferometrar är mycket känsliga för fasförskjutningar eller längdförändringar mellan referens- och provarmarna. På grund av detta har dubbelvägsinterferometrar funnit stor användning inom vetenskap och industri för mätning av små förskjutningar, brytningsindexförändringar, ytoregelbundenheter och liknande. Det finns emellertid tillämpningar där känslighet för relativ förskjutning eller brytningsindexskillnader mellan referens- och sampelvägar inte är önskvärd; alternativt kan man vara intresserad av mätning av någon annan fastighet.
Utvalda exempel
Sagnac
Sagnac interferometrar är totalt olämpliga för att mäta längder eller längdförändringar. I en Sagnac-interferometer går båda strålarna som kommer ut från stråldelaren samtidigt runt alla fyra sidorna av en rektangel i motsatta riktningar och rekombineras vid den ursprungliga stråldelaren. Resultatet är att en Sagnac-interferometer i första hand är helt okänslig för alla rörelser av dess optiska komponenter. För att göra Sagnac-interferometern användbar för att mäta fasförändringar, måste strålarna från interferometern separeras något så att de inte längre följer en helt gemensam väg. Även med en liten strålseparation erbjuder Sagnac interferometrar utmärkt kontrast och fransstabilitet. Två grundläggande topologier för Sagnac-interferometern är möjliga, som skiljer sig åt i om det finns ett jämnt eller udda antal reflektioner i varje bana. I en Sagnac-interferometer med ett udda antal reflektioner, såsom den som visas, är vågfronterna för de motsatt rörliga strålarna inverterade i sidled i förhållande till varandra över större delen av ljusvägen, så topologin är inte strikt gemensam.
Den mest kända användningen av Sagnac-interferometern ligger i dess känslighet för rotation. De första redogörelserna för effekterna av rotation på denna form av interferometer publicerades 1913 av Georges Sagnac, som felaktigt trodde att hans förmåga att upptäcka en "virvling av etern" motbevisade relativitetsteorin. Känsligheten hos dagens Sagnac-interferometrar överstiger vida den hos Sagnacs ursprungliga arrangemang. Känsligheten för rotation är proportionell mot området som omges av de motroterande strålarna, och fiberoptiska gyroskop , dagens ättlingar till Sagnac-interferometern, använder tusentals slingor av optisk fiber snarare än speglar, så att även små till medelstora enheter upptäcker lätt jordens rotation. Ringlasergyroskop (ej illustrerade) är en annan form av Sagnac rotationssensor som har viktiga tillämpningar i tröghetsstyrningssystem.
På grund av deras exceptionella kontrast och fransstabilitet spelade interferometrar som använder Sagnac-konfigurationen en viktig roll i experiment som ledde till Einsteins upptäckt av speciell relativitet , och i det efterföljande försvaret av relativitetsteorien mot teoretiska och experimentella utmaningar. Till exempel, ett år före deras berömda experiment 1887 utförde Michelson och Morley (1886) en upprepning av Fizeau-experimentet från 1851, och ersatte Fizeaus uppsättning med en Sagnac-interferometer med jämn reflektion med så hög stabilitet att till och med placera en tänd tändsticka i ljusvägen orsakade inte artefaktisk fransförskjutning. 1935 Gustaf Wilhelm Hammar en teoretisk utmaning av den speciella relativitetsteorien som försökte bortförklara nollresultaten av experiment av Michelson-Morley-typ som en ren artefakt av eterdragning , med hjälp av en Sagnac-interferometer med udda reflektion. Han kunde använda denna interferometer i det fria, på en hög kulle utan temperaturkontroll, men ändå uppnå avläsningar på 1/10 fransnoggrannhet.
Punktdiffraktion
En annan common-path interferometer användbar vid linstestning och vätskeflödesdiagnostik är punktdiffraktionsinterferometern ( PDI), som uppfanns av Linnik 1933. Referensstrålen genereras genom diffraktion från ett litet nålhål, ungefär hälften av diametern på Airy-skivan , i en halvtransparent platta. Fig. 1 illustrerar en aberrerad vågfront fokuserad på nålhålet. Den diffrakterade referensstrålen och den utsända testvågen interfererar för att bilda fransar. Den gemensamma vägdesignen för PDI ger den ett antal viktiga fördelar. (1) Endast en enda laserbana krävs istället för de två banorna som krävs av Mach-Zehnder- eller Michelson-designerna. Denna fördel kan vara mycket viktig i stora interferometriska uppställningar som i vindtunnlar som har långa optiska vägar genom turbulenta medier. (2) Common-path-designen använder färre optiska komponenter än dubbelvägsdesigner, vilket gör anpassningen mycket enklare, samt minskar kostnaden, storleken och vikten, särskilt för stora inställningar. (3) Även om noggrannheten hos en dubbelvägsdesign är beroende av precisionen med vilken referenselementet figureras, gör noggrann design det möjligt för den genererade referensstrålen för PDI att vara av garanterad precision. En nackdel är att mängden ljus som kommer genom hålet beror på hur väl ljuset kan fokuseras på hålet. Om den infallande vågfronten är kraftigt aberrerad kan mycket lite ljus komma igenom. PDI har sett användning i olika adaptiva optikapplikationer .
Sidoklippning
Lateral skjuvningsinterferometri är en självrefererande metod för vågfrontsavkänning. Istället för att jämföra en vågfront med en separat vägreferensvågfront, interfererar lateral skjuvningsinterferometri en vågfront med en förskjuten version av sig själv. Som ett resultat är den känslig för lutningen av en vågfront, inte vågfrontens form i sig . Den illustrerade plana parallellplattinterferometern har olika väglängder för test- och referensstrålarna; på grund av detta måste den användas med mycket monokromatiskt (laser)ljus. Den används normalt utan beläggning på någon av ytorna, för att minimera spökreflektioner. En aberrerad vågfront från en lins som testas reflekteras från framsidan och baksidan av plattan för att bilda interferensmönstret. Variationer på denna grundläggande design möjliggör testning av speglar. Andra former av lateral skjuvningsinterferometer, baserad på Jamin , Michelson , Mach-Zehnder , och andra interferometerdesigner, har kompenserade vägar och kan användas med vitt ljus. Förutom optisk testning har tillämpningar av lateral skjuvningsinterferometri inkluderat tunnfilmsanalys, massa och termisk diffusion i transparenta material, brytningsindex och gradient av brytningsindexmätning, kollimationstestning och adaptiv optik. Skjuvningsinterferometrar, ett allmänt ramverk som inkluderar interferometrar för lateral skjuvning, Hartmann, Shack–Hartmann , rotationsskjuvning, vikskjuvning och öppningsmaskerande interferometrar, används i de flesta vågfrontssensorer som utvecklats industriellt.
Fresnels biprisma
Ur det moderna perspektivet pekar resultatet av Youngs experiment med dubbla spalter (se fig. 2) tydligt mot ljusets vågnatur, men så var inte fallet i början av 1800-talet. Newton, trots allt, hade observerat vad som nu erkänns som diffraktionsfenomen och skrev om dem i sin tredje bok om optik och tolkade dem i termer av sin korpuskulära ljusteori . Youngs samtida framförde invändningar mot att hans resultat helt enkelt kunde representera diffraktionseffekter från slitsarnas kanter, inte annorlunda i princip än de fransar som Newton tidigare hade observerat. Augustin Fresnel , som stödde vågteorin, utförde en serie experiment för att demonstrera interferenseffekter som inte enkelt kunde bortförklaras som ett resultat av kantdiffraktion. Den mest anmärkningsvärda av dessa var hans användning av en biprisma för att skapa två virtuella störande källor genom brytning.
En elektronversion av Fresnel-biprismen används i elektronholografi , en avbildningsteknik som fotografiskt registrerar elektroninterferensmönstret för ett objekt. Hologrammet kan sedan belysas med en laser vilket resulterar i en kraftigt förstorad bild av det ursprungliga objektet, även om den nuvarande preferensen är för numerisk rekonstruktion av hologrammen. Denna teknik utvecklades för att möjliggöra större upplösning i elektronmikroskopi än vad som är möjligt med konventionella avbildningstekniker. Upplösningen av konventionell elektronmikroskopi begränsas inte av elektronvåglängd, utan av de stora aberrationerna hos elektronlinser.
Fig. 3 visar det grundläggande arrangemanget för ett interferenselektronmikroskop. Elektronbiprismat består av en fin, positivt laddad elektrisk glödtråd (representerad som en prick i figuren) omsluten av två plattelektroder med jordpotential. Filamentet, vanligtvis inte mer än 1 μm i diameter, är vanligtvis en guldbelagd kvartsfiber. Genom att placera provet utanför axeln i elektronstrålen kombineras den diffrakterade provets vågfront och referensvågfronten för att skapa hologrammet.
Noll-area Sagnac
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bestod av två 4-km Michelson-Fabry-Pérot-interferometrar och fungerade med en effektnivå på cirka 100 watt lasereffekt vid stråldelaren. En för närvarande pågående uppgradering till Advanced LIGO kommer att kräva flera kilowatt laserkraft, och forskare kommer att behöva brottas med termisk distorsion, frekvensvariation av lasrarna, spegelförskjutning och termiskt inducerad dubbelbrytning .
En mängd olika konkurrerande optiska system undersöks för tredje generationens förbättringar utöver Advanced LIGO. En av dessa konkurrerande topologier har varit Sagnac-designen med noll area. Som nämnts ovan är Sagnac-interferometrar, i första ordningen, okänsliga för eventuella statiska eller lågfrekventa förskjutningar av deras optiska komponenter, inte heller påverkas kanterna av mindre frekvensvariationer i lasrarna eller dubbelbrytning. En noll-area variant av Sagnac interferometer har föreslagits för tredje generationens LIGO. Fig. 1 visar hur man genom att rikta ljuset genom två slingor av motsatt riktning erhåller en effektiv area på noll. Denna variant av Sagnac-interferometern är därför okänslig för rotation eller lågfrekvent drift av dess optiska komponenter, samtidigt som den upprätthåller en hög känslighet för övergående händelser av astronomiskt intresse. Men många överväganden är inblandade i valet av ett optiskt system, och trots nollarean Sagnacs överlägsenhet inom vissa områden finns det ännu inget konsensusval av optiskt system för tredje generationens LIGO.
Scatterplate
Ett vanligt vägalternativ till Twyman–Green-interferometern är scatterplate-interferometern, uppfann av JM Burch 1953. Twyman–Green-interferometern, en dubbelvägsinterferometer, är en variant av Michelson-interferometern som vanligtvis används för att testa precisionen hos optisk ytor och linser. Eftersom referens- och provvägar är divergerande är denna form av interferometer extremt känslig för vibrationer och för atmosfärisk turbulens i ljusvägarna, som båda stör de optiska mätningarna. Precisionsmätningar av en optisk yta är också extremt beroende av kvaliteten på hjälpoptiken.
Eftersom scatterplate-interferometern är en common-path-interferometer, matchas referens- och testvägarna automatiskt så att en nollordningsfrans lätt kan erhållas även med vitt ljus. Den är relativt okänslig för vibrationer och turbulens, och kvaliteten på extraoptiken är inte lika kritisk som i en Twyman-Green-installation. Kantkontrasten är dock lägre och en karakteristisk hotspot kan göra spridningsplattans interferometer olämplig för olika ändamål. En mängd andra common-path interferometrar som är användbara för optisk testning har beskrivits.
Fig. 1 visar interferometern inställd för att testa en sfärisk spegel. En spridningsplatta placeras nära centrum av krökningen av spegeln som testas. Denna platta har ett mönster av små ogenomskinliga fläckar som är arrangerade på plattan med inversionssymmetri men som annars är slumpmässiga i form och distribution. (1) En viss del av ljuset passerar direkt genom spridningsplattan, reflekteras av spegeln, men sprids sedan när det möter spridningsplattan för andra gången. Detta direktspridda ljus bildar referensstrålen. (2) En viss del av ljuset sprids när det passerar genom spridningsplattan, reflekteras av spegeln, men passerar sedan direkt genom spridningsplattan när det möter spridningsplattan för andra gången. Detta spridda direkta ljus bildar teststrålen, som kombineras med referensstrålen för att bilda interferensfransar. (3) En viss del av ljuset passerar direkt genom spridningsplattan vid båda dess möten. Detta direkta ljus genererar en liten, oönskad hotspot. (4) En viss del av ljuset sprids vid båda mötena med spridningsplattan. Detta spridda och spridda ljus sänker den totala kontrasten för interferensmönstret.
Badinterferometer
Bath Interferometer (Fig. 4) kan användas för att testa teleskopspeglar. Den består vanligtvis av en stråldelare, en optisk platt, en bikonvex divergerare med kort brännvidd och en ljuskälla som en halvledarlaser.
Andra konfigurationer
Andra common-path-interferometerkonfigurationer har beskrivits i litteraturen, såsom dubbelfokus-interferometern och Saunders prisma-interferometer och många andra. Common-path interferometrar har visat sig användbara i en mängd olika tillämpningar inklusive optisk koherenstomografi, digital holografi och mätning av fasfördröjningar. Deras relativa motståndskraft mot omgivningsvibrationer är en vanlig enastående egenskap, och de kan ibland användas när ingen referensstråle är tillgänglig; dock, beroende på deras topologi, kan deras interferensmönster vara mer komplicerade att tolka än de som genereras av dubbelvägsinterferometrar.