Interferometría
La interferometría és una família de tècniques que consistixen en combinar la llum (o atres ones electromagnètiques) provinent de diferents receptors, telescopis o antenes de radi per a obtindre una image de major resolució aplicant el principi de superposició.[1] És utilisada en múltiples ciències i tecnologies, com astronomia, climatologia, fibra òptica, metrologia, metrologia òptica, oceanografia, sismologia, espectroscòpia (i les seues aplicacions a la química), mecànica quàntica, física nuclear i física de partícules, física del plasma, teledetección, interaccions biomoleculars, perfils de superfície, microfluídica, tensió mecànica/medició de deformacions, i velocimetría.[2]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where .
Esta tècnica s'utilisa especialment en radioastronomía, sent més difícil la seua implementació en llongituts d'ona més curta (visible). La principal raó és la major precisió mecànica que es requerix en utilisar llongituts d'ona més curta. En l'actualitat hi ha proyectes ambiciosos d'interferómetros òptics de gran escala combinant els fas de llum de grans telescopis terrestres, com l'interferómetro Keck en Hawái i el Very Large Telescope Interferometer VLTI en Chile, mentres que entre els observatoris radioastronómicos es troben el Very Large Array (VLA) en EE. UU. i el Atacama Large Millimiter/submilliter Array (ALMA) en Chile.
En tots els casos el principi físic utilisat és que dos ones de llum que coincidixen en fase s'amplifiquen mentres que dos ones en oposició de fase es cancelen, existint també qualsevol combinació intermija. Açò permet per mig de medició del grau de cancelació o amplificament de dos fas làser, realisar medicions de superfícies menors a la llongitut d'ona.
L'interferometría no solament s'utilisa en astronomia; existixen usos més comuns com la medició de curvatura de lents i espills, aixina com l'identificació de defectes tant en la seua superfície com en la seua composició.
Per a estes aplicacions es poden utilisar diferents tipos d'interferómetros, com l'interferómetro Twyman-Green i l'interferómetro de Fizeau, entre molts uns atres.
Un dels primers usos de l'interferometría va ser en el famós experiment de Michelson i Morley (1887), que va demostrar l'inexistència del éter, proporcionant les primeres evidències experimentals en les que més vesprada s'assentaria la relativitat especial. En l'actualitat, interferómetros similars al de Michelson es construïxen en grans instalacions (vore LIGO o VIRGO) en un intent de detectar ones gravitatorias, una conseqüència de la teoria de la relativitat general.
L'11 de febrer de 2016, investigadors de el LIGO varen confirmar la detecció d'ones gravitacionals, observades per primera volta en setembre de 2015.
Categories
[editar | editar còdic]Els interferómetros i les tècniques interferométricas es poden categorizar segons els següents criteris:
Detecció homodiona versus heterodina
[editar | editar còdic]W la detecció homodina, l'interferència es produïx entre dos fas en la mateixa llongitut d'ona (o freqüència portadora). La diferència de fase entre els dos fas provoca un canvi en l'intensitat de la llum en el detector. Es medix l'intensitat resultant de la llum despuix de la mescla d'estos dos fas, o s'observa o registra el patró de franges d'interferència.[3] La majoria dels interferómetros discutits en este artícul cauen en esta categoria.
La tècnica heterodina s'utilisa para (1) desplaçar una senyal d'entrada a un nou ranc de freqüència i també (2) amplificar una senyal d'entrada dèbil (utilisant per a això un mezclador actiu). Una senyal d'entrada dèbil de freqüència f1 és mesclada en una freqüència de referència forta f2 d'un oscilador local (OL). La combinació no llineal de les senyals d'entrada crea dos senyals noves, una corresponent a la suma de f1 + f2 de les dos freqüències, i l'atra és la diferencia f1 − f2. Estes freqüències noves es denominen heterodinas. Per lo general es desija una de les noves freqüències, i l'atra senyal és filtrada i descartada de la senyal d'eixida. La senyal d'eixida tindrà una intensitat proporcional al producte de les amplitut de les senyals d'entrada.[3]
L'aplicació més important i utilisada de la tècnica heterodina és en el receptor superheterodino (superhet), inventat en 1917-18 per l'ingenier nortamericà Edwin Howard Armstrong i el francés Lucien Lévy. En este circuit, la senyal de radiofrecuencia entrante procedent de l'antena es mescla en una senyal procedent d'un oscilador local (LO) i es convertix per mig de la tècnica heterodina en una senyal de freqüència fixa més baixa denominada freqüència intermija (FI). Esta FI és amplificada i filtrada, abans de ser aplicada a un detector que extrau la senyal d'àudio, que s'envia a l'altaveu.[4] La detecció heterodina òptica és una extensió de la tècnica heterodina a freqüències més altes (visibles).[3]
Encara que l'interferometría òptica heterodina sol realisar-se en un únic punt també és possible realisar-la de camp ampli.[5]
Doble camí versus camí comú
[editar | editar còdic]
Un interferómetro de doble trayectòria és aquell en el que el fes de referència i el fes de mostra viagen per trayectòries divergents. Alguns eixemples són l'interferómetro de Michelson, l'interferómetro de Twyman-Green i l'interferómetro de Mach-Zehnder. Despuix de ser pertorbat per l'interacció en la mostra baix prova, el fes de la mostra es recombina en el fes de referència per a crear un patró d'interferència que pot ser interpretat.[2]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where
Un interferómetro de trayecte comú és una classe d'interferómetro en el que el fes de referència i el fes de la mostra viagen pel mateix camí. La Fig. 4 ilustra l'interferómetro de Sagnac, el giroscopi de fibra òptica, l'interferómetro de difracció puntual i l'interferómetro de cisallament lateral. Atres eixemples d'interferómetro de trayecte comú són el microscopi de contrast de fase de Zernike, el Biprisma de Fresnel, el Sagnac d'àrea zero i l'interferómetro de placa de dispersió.[6]
Divisió del front d'ona versus divisió de l'amplitut
[editar | editar còdic]Interferómetros de divisió de front d'ona
[editar | editar còdic]Un interferómetro de divisió de front d'ona dividix un front d'ona de llum que emergix d'un punt o d'una rendija estreta (és dir llum espacialment coherent) i, despuix de permetre que les dos parts del front d'ona viagen per camins diferents, permet que es recombinen.[7] La Fig. 5 ilustra l'experiment d'interferència de Young i l'espill de Lloyd. Atres eixemples d'interferómetro de divisió del front d'ona són el biprisma de Fresnel, el Billet Bi-Lens i l'interferómetro de Rayleigh.[8]
En 1803, l'experiment d'interferència de Young va jugar un paper important en l'acceptació general de la teoria ondulatoria de la llum. Si s'utilisa llum blanca en l'experiment de Young, el resultat és una banda central blanca d'interferència constructiva que correspon a una llongitut de trayectòria igual des de les dos rendijas, rodejada per un patró simètric de franges de color d'intensitat decreixent. Ademés de la radiació electromagnètica contínua, l'experiment de Young s'ha realisat en fotons individuals,[9] en electrons,[10][11] i en molècules buckyball lo suficientment grans com per a ser vistes en un microscopi electrònic.[12]
l'espill de Lloyd genera franges d'interferència combinant la llum directa d'una font (llínees blaves) i la llum de l'image reflectida de la font (llínees roges) d'un espill mantingut en incidència rasante. El resultat és un patró asimètric de franges. La banda d'igual llongitut de trayectòria, més propenca a l'espill, és més obscura que lluenta. En 1834, Humphrey Lloyd va interpretar este efecte com una prova de que la fase d'un raig reflectit en la superfície frontal s'invertix.[13][14]
Inferómetros d'amplitut dividida
[editar | editar còdic]
Un interferómetro de divisió d'amplitut utilisa un reflector parcial per a dividir l'amplitut de l'ona incident en fas separats que se separen i recombinan.
l'interferómetro de Fizeau es mostra tal i com es podria montar per a provar un pla òptic. Es coloca un pla de referència exactament calculat sobre el pla que s'està provant, separat per estrets espayadors. El pla de referència està llaugerament biselado (només és necessària una fracció de grau de biselado) per a evitar que la superfície posterior del pla produïxca franges d'interferència. La separació dels plans de prova i de referència permet inclinar els dos plans entre sí. Ajustant l'inclinament, que afig un gradient de fase controlat al patró de franges, es pot controlar l'espayat i la direcció de les franges, de modo que es pot obtindre una série de franges casi paraleles fàcil d'interpretar en lloc d'una complexa mola de llínees de contorn. No obstant, per a separar les plaques és necessari colimar la llum que les allumena. La Fig 6 mostra un fes colimado de llum monocromàtica que allumena les dos plaques i un divisor de fes que permet vore les franges en l'eix.[15][16]
l'interferómetro de Mach-Zehnder és un instrument més versàtil que l'interferómetro de Michelson. Cada una de les trayectòries de llum ben separades es recorre només una volta, i les franges poden ajustar-se de manera que es localisen en qualsevol pla desijat.[2]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where Normalment, les franges s'ajusten per a que se situen en el mateix pla que l'objecte de prova, de modo que les franges i l'objecte de prova puguen fotografiar-se junts. Si es decidix produir franges en llum blanca, llavors, ya que la llum blanca té una llongitut de coherència llimitada, de l'orde de micrómetro, cal tindre molt conte per a igualar els camins òptics o no es voran les franges. Com s'ilustra en la Fig. 6, es colocaria una cèlula de compensació en la trayectòria del fes de referència per a igualar la cèlula de prova. Observe també l'orientació precisa dels divisores de fes. Les superfícies reflectantes dels divisores de fes s'orientarien de manera que els fas de prova i de referència travessaren una cantitat igual de vidre. En esta orientació, els fas de prova i de referència experimenten cada u dos reflexions en la superfície frontal, lo que resulta en el mateix número d'inversions de fase. El resultat és que la llum que recorre un camí òptic igual en els fas de prova i de referència produïx una franja de llum blanca d'interferència constructiva.[17][18]
El cor del interferómetro Fabry-Pérot és un parell de plans òptics de vidre parcialment plateados, separats per varis milímetros o centímetros, en les superfícies plateadas enfrontades. (Com a alternativa, un etalón de Fabry-Pérot utilisa una placa transparent en dos superfícies reflectantes paraleles.)[2]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where De la mateixa manera que en l'interferómetro de Fizeau, les planches estan llaugerament biseladas. En un sistema típic, l'allumenament és proporcionat per una font difusa colocada en el pla focal d'una lent colimadora. Una lent d'enfocament produïx lo que seria una image invertida de la font si els plans emparellats no estigueren presents, és dir, en absència dels plans emparellats, tota la llum emesa des del punt A que pansa pel sistema òptic s'enfocaria en el punt A'. En la Fig. 6, només es traça un raig emés des del punt A de la font. A mida que el raig passa a través dels plans emparellats, es reflectix de forma múltiple per a produir múltiples rajos transmesos que són arreplegats per la lent d'enfocament i duts al punt A' en la pantalla. El patró d'interferència complet pren l'apariència d'un conjunt d'anells concèntrics. La nitidea dels anells depén de la reflectivitat dels plans. Si la reflectivitat és alta, donant lloc a un factor Q alt (és dir alta fineza), la llum monocromàtica produïx un conjunt d'anells estrets i lluents contra un fondo obscur.[19] En la Fig. 6, l'image de baixa finura correspon a una reflectivitat de 0,04 (és dir, superfícies sense depurar) front a una reflectivitat de 0,95 per a l'image d'alta finura.
La Fig. 6 ilustra els interferómetros Fizeau, Mach-Zehnder i Fabry-Pérot. Atres eixemples d'interferómetros de divisió d'amplitut són el Michelson, el Twyman-Green, l'interferómetro de trayectòria desigual del làser i l'interferómetro de Linnik.[20]
Michelson-Morley
[editar | editar còdic]Michelson i Morley (1887)[21] i uns atres dels primers experimentadores que utilisaven tècniques interferométricas en un intent de medir les propietats del éter luminífero, utilisaven llum monocromàtica només per a la configuració inicial dels seus equips, canviant sempre a llum blanca per a les medicions reals. La raó és que les medicions es registraven visualment. La llum monocromàtica donaria lloc a un patró de franges uniforme. A falta de mijos moderns de control de la temperatura ambiental, els experimentadores s'enfrontaven a la deriva contínua de les franges, encara que l'interferómetro s'instalara en un sòtol. Ya que les franges desapareixien ocasionalment per les vibracions del tràfic de cavalls, les tormentes elèctriques lluntanes i similars, era fàcil que un observador es "perguera" quan les franges tornaven a ser visibles. Les ventages de la llum blanca, que produïa un patró de franges de color distintiu, superaven en créixens les dificultats d'alinear l'aparat per la seua baixa llongitut de coherència.[22] Est va ser un eixemple primerenc de l'us de la llum blanca per a resoldre la "ambigüitat de 2 pi".
Vore també
[editar | editar còdic]- Llum coherent
- Interferómetro de trayecte comú
- Interferómetro de Fizeau
- Interferómetro de Michelson
- Interferómetro Fabry-Pérot
- Interferómetro de Mach-Zehnder
- Síntesis d'obertura
- Interferència
- Tomografía de coherència òptica
- Interferometría de molt llarga base
- Principi de superposició
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Bunch, Bryan H (abril de 2004). The History of Science and Technology, Houghton Mifflin Harcourt, p. 695. ISBN 978-0-618-22123-3.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Hariharan, P. (2007). Basics of Interferometry, Elsevier Inc.. ISBN 0-12-373589-0.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Paschotta, Rüdiger. «Detecció heterodina òptica». RP Photonics Consulting GmbH.
- ↑ Poole, Ian. «El superhet o receptor de radi superheterodino». Ràdio-Electronics.com.
- ↑ Patel, R.. “Interferometría heterodina de camp ample utilisant una cambra de llum modulada CMOS personalisada”. Optics Express 19 (24): 24546-24556. PMID 22109482. Bibcode: 2011OExpr..1924546P.
- ↑ (2007) «Common-Path Interferometers», Optical Shop Testing, pp. 97. ISBN 9780470135976.
- ↑ Verma, R. K.. Optica d'ones, Discovery Publishing House, pp. 97-110. ISBN 978-81-8356-114-3.
- ↑ «Dispositius interferenciales - Introducció». OPI - Optique pour l'Ingénieur.
- ↑ Ingram Taylor, Sir Geoffrey. “Franges d'interferència en llum dèbil”. Proc. Camb. Phil. Soc..
- ↑ “Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten” . Zeitschrift für Physik. Bibcode: .161..454J 1961ZPhy. .161..454J.
- ↑ “Difracció d'electrons en rendijas múltiples” . American Journal of Physics 4 (1): 4-11. Bibcode: .42....4J 1974AmJPh. .42....4J.
- ↑ (2004) «L'incertitut de Heisenberg i l'interferometría d'ones de matèria en grans molècules», Fonamental Physics - Heisenberg and Beyond: Simpòsium del centenari de Werner Heisenberg "Desenrolls en la física moderna", Springer, pp. 35-52. ISBN 978-3540202011.
- ↑ Carroll, Brett. «pdf Simple espill de Lloyd». American Association of Physics Teachers.
- ↑ Serway, R.A.. Principis de física: un text basat en el càlcul, Volum 1, Brooks Cole, pp. 905. ISBN 978-0-534-49143-7.
- ↑ «Guideline for Use of Fizeau Interferometer in Optical Testing». NASA.
- ↑ «Dispositius interferenciales - Interferómetro de Fizeau». Optique pour l'Ingénieur..
- ↑ Zetie, K.P.. «¿Cóm funciona un interferómetro Mach-Zehnder?».
- ↑ Ashkenas, Harry I. (1950). El disseny i la construcció d'un interferómetro Mach-Zehnder per al seu us en el túnel de vent transónico GALCIT. Tesis d'ingenieria, Institut Tecnològic de Califòrnia. doi:10.7907/D0V1-MJ80.
- ↑ Betzler, Klaus. «edu.tr/aykutlu/msn513/fibersensors/fabryperot.pdf Interferómetro Fabry-Perot». Fachbereich Physik, Universität Osnabrück.
- ↑ Nolte, David D.. Interferometría òptica per a biologia i medicina, Springer, pp. 17-26. ISBN 978-1-4614-0889-5.
- ↑ Michelson, A.A.. “On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether”. American Journal of Science 34 (203): 333-345. Bibcode: 1887AmJS...34..333M.
- ↑ Miller, Dayton C.. “L'experiment de la deriva de l'éter i la determinació del moviment absolut de la Terra”. Reviews of Modern Physics 5 (3): 203-242. Bibcode: 1933RvMP....5..203M. “Es varen elegir les franges de llum blanca per a les observacions perque consistixen en un chicotet grup de franges que tenen una franja negra central, clarament definida, que forma una marca de referència zero permanent per a totes les llectures.”
Enllaços externs
[editar | editar còdic]
Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Interferometría.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Interferometría» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.