Interferómetro de ruta común

Un interferómetro de ruta común es una clase de interferómetros en los que el haz de referencia y los haces de muestra viajan por la misma ruta. Los ejemplos incluyen el interferómetro de Sagnac , el interferómetro de contraste de fase de Zernike y el interferómetro de difracción puntual . Un interferómetro de ruta común es generalmente más resistente a las vibraciones ambientales que un "interferómetro de ruta doble" como el interferómetro de Michelson o el interferómetro de Mach-Zehnder . ^[1] Aunque viajan por el mismo camino, los haces de referencia y de muestra pueden viajar en direcciones opuestas, o pueden viajar en la misma dirección pero con la misma o diferente polarización.

Los interferómetros de doble vía son muy sensibles a los cambios de fase o de longitud entre los brazos de referencia y de muestra. Debido a esto, los interferómetros de doble camino han encontrado un amplio uso en la ciencia y la industria para la medición de pequeños desplazamientos, ^[2] cambios en el índice de refracción, ^[3] irregularidades de la superficie y similares. Sin embargo, existen aplicaciones en las que no es deseable la sensibilidad al desplazamiento relativo o las diferencias del índice de refracción entre las rutas de referencia y de muestra; alternativamente, uno puede estar interesado en la medición de alguna otra propiedad.

Ejemplos seleccionados

Figura 1. Ejemplos seleccionados de interferómetros de ruta común

Sagnac

Artículo principal: interferómetro de Sagnac

Los interferómetros de Sagnac son totalmente inadecuados para medir longitudes o cambios de longitud. En un interferómetro de Sagnac, ambos haces que emergen del divisor de haz recorren simultáneamente los cuatro lados de un rectángulo en direcciones opuestas y se recombinan en el divisor de haz original. El resultado es que un interferómetro Sagnac es, de primer orden, completamente insensible a cualquier movimiento de sus componentes ópticos. De hecho, para que el interferómetro de Sagnac sea útil para medir cambios de fase, los haces del interferómetro deben separarse ligeramente para que ya no sigan una ruta perfectamente común. Incluso con una ligera separación del haz, los interferómetros de Sagnac ofrecen un excelente contraste y estabilidad de franjas. ^[4]Son posibles dos topologías básicas del interferómetro de Sagnac, que se diferencian en si hay un número par o impar de reflexiones en cada trayecto. En un interferómetro de Sagnac con un número impar de reflejos, como el ilustrado, los frentes de onda de los haces que se desplazan en sentido opuesto están invertidos lateralmente entre sí en la mayor parte de la trayectoria de la luz, por lo que la topología no es estrictamente de trayectoria común. ^[5]

El uso más conocido del interferómetro de Sagnac radica en su sensibilidad a la rotación. Los primeros relatos de los efectos de la rotación en esta forma de interferómetro fueron publicados en 1913 por Georges Sagnac, quien creyó erróneamente que su capacidad para detectar un "giro del éter" refutaba la teoría de la relatividad. ^[6] La sensibilidad de los interferómetros de Sagnac actuales supera con creces la del arreglo original de Sagnac. La sensibilidad a la rotación es proporcional al área circunscrita por los haces contrarrotantes, y los giroscopios de fibra óptica , descendientes actuales del interferómetro de Sagnac, utilizan miles de bucles de fibra óptica en lugar de espejos, de modo que incluso los de tamaño pequeño a mediano las unidades detectan fácilmente la rotación de la Tierra. ^[7] Giroscopios láser de anillo(no ilustrados) son otra forma de sensor de rotación Sagnac que tiene aplicaciones importantes en sistemas de guía inercial. ^[6]

Debido a su excepcional contraste y estabilidad marginal, los interferómetros que utilizan la configuración de Sagnac desempeñaron un papel importante en los experimentos que llevaron al descubrimiento de la relatividad especial por parte de Einstein y en la posterior defensa de la relatividad contra los desafíos teóricos y experimentales. Por ejemplo, un año antes de su famoso experimento de 1887 , Michelson y Morley (1886) realizaron una repetición del experimento de Fizeau de 1851, reemplazando la configuración de Fizeau con un interferómetro de Sagnac de reflexión uniforme de tan alta estabilidad, que incluso colocando una cerilla encendida en la trayectoria de la luz no provocó un desplazamiento de la franja de artefactos. ^[8] En 1935, Gustaf Wilhelm Hammarrefutó un desafío teórico a la relatividad especial que intentaba explicar los resultados nulos de los experimentos de tipo Michelson-Morley como un mero artefacto de arrastre de éter , utilizando un interferómetro de Sagnac de reflexión extraña. Podría operar este interferómetro al aire libre, en una colina alta sin control de temperatura, y aún así lograr lecturas de 1/10 de precisión marginal. ^{[9] [10]}

Difracción puntual

Artículo principal: interferómetro de difracción puntual

Figura 2. Experimento de Young: patrones de rendija simple versus doble

Otro interferómetro de ruta común útil en pruebas de lentes y diagnóstico de flujo de fluidos es el interferómetro de difracción puntual (PDI), inventado por Linnik en 1933. ^{[11] [12]} El haz de referencia se genera por difracción a partir de un pequeño orificio, aproximadamente la mitad del diámetro. del disco Airy, en una placa semitransparente. La figura 1 ilustra un frente de onda aberrado enfocado en el orificio. El haz de referencia difractado y la onda de prueba transmitida interfieren para formar franjas. El diseño de ruta común del PDI le aporta una serie de ventajas importantes. (1) Solo se requiere una única trayectoria láser en lugar de las dos trayectorias requeridas por los diseños de Mach-Zehnder o Michelson. Esta ventaja puede ser muy importante en grandes configuraciones interferométricas, como en túneles de viento que tienen largas trayectorias ópticas a través de medios turbulentos. (2) El diseño de ruta común utiliza menos componentes ópticos que los diseños de ruta doble, lo que facilita la alineación y reduce el costo, el tamaño y el peso, especialmente para configuraciones grandes. ^[13](3) Si bien la precisión de un diseño de doble trayectoria depende de la precisión con la que se calcula el elemento de referencia, el diseño cuidadoso permite que el haz de referencia generado del PDI tenga una precisión garantizada. ^[14] Una desventaja es que la cantidad de luz que pasa a través del orificio depende de qué tan bien se pueda enfocar la luz en el orificio. Si el frente de onda incidente está muy aberrado, puede pasar muy poca luz. ^[15] El PDI se ha utilizado en varias aplicaciones de óptica adaptativa . ^{[16] [17]}

Cizallamiento lateral

Artículo principal: interferómetro de cizallamiento

La interferometría de cizallamiento lateral es un método de autorreferenciación de detección de frente de onda. En lugar de comparar un frente de onda con un frente de onda de referencia de camino separado, la interferometría de corte lateral interfiere un frente de onda con una versión desplazada de sí mismo. Como resultado, es sensible a la pendiente de un frente de onda, no a la forma del frente de onda per se.. El interferómetro de placas paralelas plano ilustrado tiene longitudes de trayectoria desiguales para los haces de prueba y de referencia; por ello, debe utilizarse con luz altamente monocromática (láser). Normalmente se usa sin ningún recubrimiento en ninguna de las superficies, para minimizar los reflejos fantasma. Un frente de onda aberrado de una lente bajo prueba se refleja desde el frente y la parte posterior de la placa para formar el patrón de interferencia. Las variaciones de este diseño básico permiten probar los espejos. Otras formas de interferómetro de cizallamiento lateral, basadas en los diseños de interferómetro de Jamin , Michelson , Mach-Zehnder y otros, tienen trayectorias compensadas y se pueden utilizar con luz blanca. ^[18]Además de las pruebas ópticas, las aplicaciones de la interferometría de cizallamiento lateral han incluido el análisis de película delgada, la difusión de masa y térmica en materiales transparentes, el índice de refracción y el gradiente de medición del índice de refracción, las pruebas de colimación y la óptica adaptativa. ^{[19] [20] Los} interferómetros de cizallamiento, un marco general que incluye los interferómetros de cizallamiento lateral, Hartmann, Shack-Hartmann , cizallamiento rotacional, cizallamiento de plegado y enmascaramiento de apertura , se utilizan en la mayoría de los sensores de frente de onda desarrollados industrialmente. ^[21]

Biprisma de Fresnel

Figura 3. Biprisma utilizado en un sistema de holografía electrónica

Desde la perspectiva moderna, el resultado del experimento de doble rendija de Young (ver Fig.2) apunta claramente hacia la naturaleza ondulatoria de la luz, pero ese no era el caso a principios del siglo XIX. Newton, después de todo, había observado lo que ahora se reconoce como fenómenos de difracción y escribió sobre ellos en su Tercer Libro de Óptica, ^[22] interpretándolos en términos de su teoría corpuscular de la luz . Los contemporáneos de Young plantearon objeciones de que sus resultados podrían simplemente representar efectos de difracción de los bordes de las rendijas, no diferentes en principio a los bordes que Newton había observado previamente. Augustin Fresnel, que apoyó la teoría de las ondas, realizó una serie de experimentos para demostrar los efectos de interferencia que no podían explicarse simplemente como resultado de la difracción de bordes. El más notable de ellos fue su uso de un biprisma para crear dos fuentes virtuales de interferencia por refracción.

Una versión electrónica del biprisma de Fresnel se utiliza en la holografía electrónica , una técnica de formación de imágenes que registra fotográficamente el patrón de interferencia electrónica de un objeto. Luego, el holograma puede iluminarse con un láser, lo que da como resultado una imagen muy ampliada del objeto original, aunque la preferencia actual es la reconstrucción numérica de los hologramas. ^[23] Esta técnica fue desarrollada para permitir una mayor resolución en microscopía electrónica de la que es posible usando técnicas de imagen convencionales. La resolución de la microscopía electrónica convencional no está limitada por la longitud de onda de los electrones, sino por las grandes aberraciones de las lentes de electrones. ^[24]

La figura 3 muestra la disposición básica de un microscopio electrónico de interferencia. El biprisma de electrones consiste en un fino filamento eléctrico cargado positivamente (representado como un punto en la figura) delimitado por dos electrodos de placa a potencial de tierra. El filamento, generalmente de no más de 1 µm de diámetro, suele ser una fibra de cuarzo recubierta de oro. Al colocar la muestra fuera del eje en el haz de electrones, el frente de onda de la muestra difractada y el frente de onda de referencia se combinan para crear el holograma.

Sagnac de área cero

El Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) constaba de dos interferómetros Michelson-Fabry-Pérot de 4 km y funcionaba a un nivel de potencia de aproximadamente 100 vatios de potencia láser en el divisor de haz. Una actualización en curso a Advanced LIGO requerirá varios kilovatios de potencia láser, y los científicos deberán lidiar con la distorsión térmica, la variación de frecuencia de los láseres, el desplazamiento del espejo y la birrefringencia inducida térmicamente .

Se está explorando una variedad de sistemas ópticos competidores para mejoras de tercera generación más allá de Advanced LIGO. Una de estas topologías en competencia ha sido el diseño Sagnac de área cero. Como se señaló anteriormente, los interferómetros de Sagnac son, de primer orden, insensibles a cualquier desplazamiento estático o de baja frecuencia de sus componentes ópticos, ni las franjas se ven afectadas por variaciones de frecuencia menores en los láseres o birrefringencia. Se ha propuesto una variante de área cero del interferómetro de Sagnac para LIGO de tercera generación. La figura 1 muestra cómo al dirigir la luz a través de dos bucles de sentido opuesto, se obtiene un área efectiva de cero. Por lo tanto, esta variante del interferómetro de Sagnac es insensible a la rotación o la deriva de baja frecuencia de sus componentes ópticos, al tiempo que mantiene una alta sensibilidad a los eventos transitorios de interés astronómico.^[25] Sin embargo, muchas consideraciones están involucradas en la elección de un sistema óptico y, a pesar de la superioridad de Sagnac de área cero en ciertas áreas, todavía no existe una elección de consenso de sistema óptico para LIGO de tercera generación. ^{[26] [27]}

Plato de dispersión

Una alternativa de ruta común al interferómetro Twyman-Green es el interferómetro de placa de dispersión, ^[28] inventado por JM Burch en 1953. ^[29] El interferómetro Twyman-Green, un interferómetro de ruta doble, es una variante del interferómetro de Michelson que se usa comúnmente para probar la precisión de superficies ópticas y lentes. ^{[30] [31]} Dado que las rutas de referencia y de muestra son divergentes, esta forma de interferómetro es extremadamente sensible a la vibración y a la turbulencia atmosférica en las rutas de luz, las cuales interfieren con las mediciones ópticas. Las mediciones de precisión de una superficie óptica también dependen en gran medida de la calidad de la óptica auxiliar.

Debido a que el interferómetro de placa de dispersión es un interferómetro de ruta común, las rutas de referencia y de prueba se emparejan automáticamente para que se pueda obtener fácilmente una franja de orden cero incluso con luz blanca. Es relativamente insensible a la vibración y la turbulencia, y la calidad de la óptica auxiliar no es tan crítica como en una configuración Twyman-Green. ^{[28] El} contraste de franjas, sin embargo, es menor, y un punto caliente característico puede hacer que el interferómetro de placa de dispersión no sea adecuado para varios propósitos. Se ha descrito una variedad de otros interferómetros de ruta común útiles para pruebas ópticas. ^{[15] [32]}

La Fig. 1 muestra el interferómetro configurado para probar un espejo esférico. Se coloca una placa de dispersión cerca del centro de curvatura del espejo bajo prueba. Esta placa tiene un patrón de pequeños parches opacos que están dispuestos en la placa con simetría de inversión, pero que por lo demás son aleatorios en forma y distribución. (1) Una cierta fracción de la luz pasa directamente a través de la placa de dispersión, es reflejada por el espejo, pero luego se dispersa cuando se encuentra con la placa de dispersión por segunda vez. Esta luz de dispersión directa forma el haz de referencia. (2) Una cierta fracción de la luz se dispersa cuando pasa a través de la placa de dispersión, es reflejada por el espejo, pero luego pasa directamente a través de la placa de dispersión cuando se encuentra con la placa de dispersión por segunda vez. Este disperso-directola luz forma el haz de prueba, que se combina con el haz de referencia para formar franjas de interferencia. (3) Una cierta fracción de la luz pasa directamente a través de la placa de dispersión en ambos encuentros. Esta luz directa-directa genera un pequeño punto de acceso indeseable. (4) Una cierta fracción de la luz se dispersa en ambos encuentros con la placa de dispersión. Esta luz dispersa-dispersa reduce el contraste general del patrón de interferencia. ^[33]

Otras configuraciones

En la literatura se han descrito otras configuraciones de interferómetro de camino común, como el interferómetro de doble foco y el interferómetro de prisma de Saunders, ^[15] y muchos otros. Los interferómetros de ruta común han demostrado ser útiles en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la tomografía de coherencia óptica, ^[1] la holografía digital ^[34] y la medición de retardos de fase. ^[35] Su resistencia relativa a las vibraciones ambientales es una característica sobresaliente común y, a veces, se pueden utilizar cuando no se dispone de un haz de referencia; sin embargo, dependiendo de su topología, sus patrones de interferencia pueden ser más complicados de interpretar que los generados por interferómetros de doble camino.

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