Interferometria

Método de medición utilizando interferencia de ondas.

Figura 1. La trayectoria de la luz a través de un interferómetro de Michelson . Los dos rayos de luz con una fuente común se combinan en el espejo medio plateado para llegar al detector. Pueden interferir constructivamente (fortaleciendo en intensidad) si sus ondas de luz llegan en fase, o interferir destructivamente (debilitándose en intensidad) si llegan fuera de fase, dependiendo de las distancias exactas entre los tres espejos.

La interferometría es una técnica en la que se superponen ondas, normalmente ondas electromagnéticas , provocando el fenómeno de interferencia , que se utiliza para extraer información. ^{[1] La} interferometría es una técnica de investigación importante en los campos de la astronomía , la fibra óptica , la metrología de ingeniería , la metrología óptica, la oceanografía , la sismología , la espectroscopia (y sus aplicaciones a la química ), la mecánica cuántica , la física nuclear y de partículas , física del plasma , teledetección , interacciones biomoleculares , perfilado de superficies, microfluidos , medición mecánica de tensión / deformación, velocimetría , optometría y creación de hologramas . ^{[2] : 1–2}

Los interferómetros se utilizan ampliamente en la ciencia y la industria para la medición de pequeños desplazamientos, cambios en el índice de refracción e irregularidades de la superficie. En la mayoría de los interferómetros, la luz de una sola fuente se divide en dos haces que viajan en diferentes trayectorias ópticas , que luego se combinan nuevamente para producir interferencia; sin embargo, en algunas circunstancias, también se puede hacer que interfieran dos fuentes incoherentes. ^[3] Las franjas de interferencia resultantes dan información sobre la diferencia en las longitudes de la trayectoria óptica.. En ciencia analítica, los interferómetros se utilizan para medir longitudes y formas de componentes ópticos con precisión nanométrica; son los instrumentos de medición de longitud de mayor precisión que existen. En la espectroscopia por transformada de Fourier , se utilizan para analizar la luz que contiene características de absorción o emisión asociadas con una sustancia o mezcla. Un interferómetro astronómico consta de dos o más telescopios separados que combinan sus señales, ofreciendo una resolución equivalente a la de un telescopio de diámetro igual a la mayor separación entre sus elementos individuales.

Principios básicos

Figura 2. Formación de franjas en un interferómetro de Michelson

Figura 3. Franjas de color y monocromáticas en un interferómetro de Michelson: (a) Franjas de luz blanca donde los dos haces difieren en el número de inversiones de fase; (b) Franjas de luz blanca donde los dos haces han experimentado el mismo número de inversiones de fase; (c) Patrón de franjas con luz monocromática ( líneas D de sodio )

Más información: Interferencia (propagación de ondas)

La interferometría hace uso del principio de superposición para combinar ondas de una manera que hará que el resultado de su combinación tenga alguna propiedad significativa que sea diagnóstica del estado original de las ondas. Esto funciona porque cuando dos ondas con la misma frecuencia se combinan, el patrón de intensidad resultante está determinado por la diferencia de fase entre las dos ondas: las ondas que están en fase sufrirán interferencia constructiva mientras que las ondas que están fuera de fase sufrirán una interferencia destructiva. Las ondas que no están completamente en fase ni completamente desfasadas tendrán un patrón de intensidad intermedia, que se puede utilizar para determinar su diferencia de fase relativa. La mayoría de los interferómetros utilizan luz o alguna otra forma deonda electromagnética . ^{[2] : 3–12}

Normalmente (ver Fig. 1, la conocida configuración de Michelson), un solo haz entrante de luz coherente se dividirá en dos haces idénticos mediante un divisor de haz (un espejo parcialmente reflectante). Cada uno de estos rayos viaja por una ruta diferente, denominada ruta, y se recombinan antes de llegar a un detector. La diferencia de trayectoria, la diferencia en la distancia recorrida por cada haz, crea una diferencia de fase entre ellos. Es esta diferencia de fase introducida la que crea el patrón de interferencia entre las ondas inicialmente idénticas. ^{[2] : 14–17} Si un solo haz se ha dividido a lo largo de dos trayectorias, entonces la diferencia de fase es un diagnóstico de cualquier cosa que cambie la fase a lo largo de las trayectorias. Esto podría ser un cambio físico en ella longitud del camino en sí o un cambio en el índice de refracción a lo largo del camino. ^{[2] : 93–103}

Como se ve en las figuras 2a y 2b, el observador tiene una vista directa del espejo M ₁ visto a través del divisor de haz, y ve una imagen reflejada M ' ₂ del espejo M ₂ . Las franjas pueden ser interpretados como el resultado de la interferencia entre la luz procedente de las dos imágenes virtuales S ' ₁ y S ' ₂ de la fuente original S . Las características del patrón de interferencia dependen de la naturaleza de la fuente de luz y la orientación precisa de los espejos y el divisor de haz. En la Fig.2a, los elementos ópticos están orientados de modo que S ′ ₁ y S′ ₂ están en línea con el observador, y el patrón de interferencia resultante consiste en círculos centrados en la normal a M ₁ y M ' ₂ . Si, como en la Fig.2b, M ₁ y M ′ ₂ están inclinados entre sí, las franjas de interferencia generalmente tomarán la forma de secciones cónicas (hipérbolas), pero si M ′ ₁ y M ′ ₂superposición, las franjas cerca del eje serán rectas, paralelas e igualmente espaciadas. Si S es una fuente extendida en lugar de una fuente puntual como se ilustra, las franjas de la figura 2a deben observarse con un telescopio colocado en el infinito, mientras que las franjas de la figura 2b se localizarán en los espejos. ^{[2] : 17}

El uso de luz blanca dará como resultado un patrón de franjas de colores (ver Fig. 3). ^{[2] : 26} La franja central que representa la misma longitud de trayectoria puede ser clara u oscura dependiendo del número de inversiones de fase experimentadas por los dos haces a medida que atraviesan el sistema óptico. ^{[2] : 26,171-172} (Ver interferómetro de Michelson para una discusión de esto).

Categorías

Los interferómetros y las técnicas interferométricas pueden clasificarse según una variedad de criterios:

Detección de homodinos versus heterodinos

En la detección homodina , la interferencia se produce entre dos haces de la misma longitud de onda (o frecuencia portadora ). La diferencia de fase entre los dos haces da como resultado un cambio en la intensidad de la luz en el detector. Se mide la intensidad de la luz resultante después de la mezcla de estos dos haces, o se visualiza o registra el patrón de franjas de interferencia. ^[4] La mayoría de los interferómetros discutidos en este artículo entran en esta categoría.

La técnica heterodina se usa para (1) cambiar una señal de entrada a un nuevo rango de frecuencia así como (2) amplificar una señal de entrada débil (asumiendo el uso de un mezclador activo ). Una señal de entrada débil de frecuencia f ₁ se mezcla con una fuerte frecuencia de referencia f ₂ de un oscilador local (LO). La combinación no lineal de las señales de entrada crea dos nuevas señales, una en la suma f ₁  + f ₂ de las dos frecuencias y la otra en la diferencia f ₁  - f ₂ . Estas nuevas frecuencias se llaman heterodinas.. Normalmente, solo se desea una de las nuevas frecuencias y la otra señal se filtra fuera de la salida del mezclador. La señal de salida tendrá una intensidad proporcional al producto de las amplitudes de las señales de entrada. ^[4]

La aplicación más importante y ampliamente utilizada de la técnica heterodina es en el receptor superheterodino (superhet), inventado por el ingeniero estadounidense Edwin Howard Armstrong en 1918. En este circuito, la señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla con una señal de un local. oscilador (LO) y convertido mediante la técnica heterodina en una señal de frecuencia fija más baja llamada frecuencia intermedia (IF). Este FI se amplifica y filtra, antes de ser aplicado a un detector que extrae la señal de audio, que se envía al altavoz. ^[5]

La detección óptica de heterodinos es una extensión de la técnica heterodina a frecuencias más altas (visibles). ^[4]

Si bien la interferometría heterodina óptica generalmente se realiza en un solo punto, también es posible realizar este campo amplio. ^[6]

Ruta doble versus ruta común

Ver también: interferómetro de ruta común

Figura 4. Cuatro ejemplos de interferómetros de ruta común

Un interferómetro de doble trayectoria es aquel en el que el haz de referencia y el haz de muestra viajan a lo largo de trayectorias divergentes. Los ejemplos incluyen el interferómetro de Michelson , el interferómetro Twyman-Green y el interferómetro Mach-Zehnder . Después de ser perturbado por la interacción con la muestra bajo prueba, el haz de muestra se recombina con el haz de referencia para crear un patrón de interferencia que luego puede interpretarse. ^{[2] : 13-22}

Un interferómetro de ruta común es una clase de interferómetro en el que el haz de referencia y el haz de muestra viajan por la misma ruta. La figura 4 ilustra el interferómetro de Sagnac , el giroscopio de fibra óptica , el interferómetro de difracción puntual y el interferómetro de cizallamiento lateral . Otros ejemplos de interferómetro de trayectoria común incluyen el microscopio de contraste de fase de Zernike , el biprisma de Fresnel , el Sagnac de área cero y el interferómetro de placa de dispersión . ^[7]

División de frente de onda versus división de amplitud

Un interferómetro de división de frente de onda divide un frente de onda de luz que emerge de un punto o una rendija estrecha ( es decir, luz espacialmente coherente) y, después de permitir que las dos partes del frente de onda viajen por caminos diferentes, les permite recombinarse. ^{[8] La} Fig. 5 ilustra el experimento de interferencia de Young y el espejo de Lloyd . Otros ejemplos de interferómetro de división de frente de onda incluyen el biprisma de Fresnel, el Billet Bi-Lens y el interferómetro de Rayleigh . ^[9]

Figura 5. Dos interferómetros de división de frente de onda

En 1803, el experimento de interferencia de Young jugó un papel importante en la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz. Si se usa luz blanca en el experimento de Young, el resultado es una banda central blanca de interferencia constructiva correspondiente a la misma longitud de trayectoria desde las dos rendijas, rodeada por un patrón simétrico de franjas de colores de intensidad decreciente. Además de la radiación electromagnética continua, el experimento de Young se ha realizado con fotones individuales, ^[10] con electrones, ^{[11] [12]} y con moléculas de buckyball lo suficientemente grandes como para ser vistas con un microscopio electrónico . ^[13]

El espejo de Lloyd genera franjas de interferencia al combinar la luz directa de una fuente (líneas azules) y la luz de la imagen reflejada de la fuente (líneas rojas) de un espejo mantenido en incidencia rasante. El resultado es un patrón asimétrico de flecos. La banda de igual longitud de trayectoria, más cercana al espejo, es más oscura que brillante. En 1834, Humphrey Lloyd interpretó este efecto como prueba de que la fase de un haz reflejado en la superficie frontal está invertida. ^{[14] [15]}

Un interferómetro de división de amplitud utiliza un reflector parcial para dividir la amplitud de la onda incidente en haces separados que se separan y recombinan. La Fig. 6 ilustra los interferómetros de Fizeau , Mach-Zehnder y Fabry-Pérot . Otros ejemplos de interferómetro de división de amplitud incluyen el interferómetro de Michelson , Twyman-Green , Laser Unequal Path y Linnik . ^[dieciséis]

Figura 6. Tres interferómetros de división de amplitud: Fizeau, Mach – Zehnder y Fabry Pérot

El interferómetro de Fizeau se muestra como podría estar configurado para probar un plano óptico. Se coloca un piso de referencia calculado con precisión en la parte superior del piso que se está probando, separado por espaciadores estrechos. El piso de referencia está ligeramente biselado (solo es necesaria una fracción de un grado de biselado) para evitar que la superficie posterior del piso produzca franjas de interferencia. La separación de los planos de prueba y de referencia permite que los dos planos se inclinen entre sí. Al ajustar la inclinación, que agrega un gradiente de fase controlado al patrón de franjas, se puede controlar el espaciado y la dirección de las franjas, de modo que se puede obtener una serie de franjas casi paralelas de fácil interpretación en lugar de un complejo remolino de curvas de nivel. Sin embargo, la separación de las placas requiere que la luz de iluminación esté colimada.La figura 6 muestra un haz colimado de luz monocromática que ilumina los dos planos y un divisor de haz que permite ver las franjas en el eje.^{[17] [18]}

El interferómetro Mach-Zehnder es un instrumento más versátil que el interferómetro Michelson. Cada una de las trayectorias de luz bien separadas se atraviesa solo una vez, y las franjas se pueden ajustar para que estén localizadas en cualquier plano deseado. ^{[2] : 18} Normalmente, los flecos se ajustarían para que queden en el mismo plano que el objeto de prueba, de modo que los flecos y el objeto de prueba se puedan fotografiar juntos. Si se decide producir franjas en luz blanca, entonces, dado que la luz blanca tiene una longitud de coherencia limitada , del orden de micrómetros, se debe tener mucho cuidado para igualar las trayectorias ópticas o no se verán franjas. Como se ilustra en la Fig. 6, se colocaría una celda de compensación en la trayectoria del haz de referencia para que coincida con la celda de prueba. Tenga en cuenta también la orientación precisa de los divisores de haz. Las superficies reflectantes de los divisores de haz se orientarían de modo que los haces de prueba y de referencia atraviesen una cantidad igual de vidrio. En esta orientación, los haces de prueba y de referencia experimentan cada uno dos reflejos en la superficie frontal, lo que da como resultado el mismo número de inversiones de fase. El resultado es que la luz que viaja a una longitud de trayectoria óptica igual en los haces de prueba y de referencia produce una franja de luz blanca de interferencia constructiva. ^{[19] [20]}

El corazón del interferómetro de Fabry-Pérot es un par de placas ópticas de vidrio parcialmente plateadas espaciadas de varios milímetros a centímetros con las superficies plateadas enfrentadas. (Alternativamente, un etalón de Fabry-Pérot usa una placa transparente con dos superficies reflectantes paralelas). ^{[2] : 35–36} Al igual que con el interferómetro de Fizeau, los planos están ligeramente biselados. En un sistema típico, la iluminación es proporcionada por una fuente difusa colocada en el plano focal de una lente colimadora. Una lente de enfoque produce lo que sería una imagen invertida de la fuente si los planos emparejados no estuvieran presentes; es deciren ausencia de los planos pareados, toda la luz emitida desde el punto A que pasa a través del sistema óptico se enfocaría en el punto A '. En la Fig. 6, solo se traza un rayo emitido desde el punto A en la fuente. A medida que el rayo pasa a través de los planos emparejados, se refleja de forma múltiple para producir múltiples rayos transmitidos que son recogidos por la lente de enfoque y llevados al punto A 'en la pantalla. El patrón de interferencia completo toma la apariencia de un conjunto de anillos concéntricos. La nitidez de los anillos depende de la reflectividad de los planos. Si la reflectividad es alta, lo que da como resultado un factor Q alto ( es decir, alta delicadeza), la luz monocromática produce un conjunto de anillos estrechos y brillantes sobre un fondo oscuro. ^[21]En la figura 6, la imagen de baja delicadeza corresponde a una reflectividad de 0,04 ( es decir, superficies no plateadas) frente a una reflectividad de 0,95 para la imagen de alta delicadeza.

Michelson y Morley (1887) ^[22] y otros experimentadores tempranos que usaron técnicas interferométricas en un intento de medir las propiedades del éter luminífero , usaron luz monocromática solo para configurar inicialmente su equipo, siempre cambiando a luz blanca para las mediciones reales. La razón es que las mediciones se registraron visualmente. La luz monocromática daría como resultado un patrón de franjas uniforme. Falta de medios modernos de control de la temperatura ambiental., los experimentadores lucharon con una continua deriva marginal a pesar de que el interferómetro podría estar instalado en un sótano. Dado que las franjas desaparecerían ocasionalmente debido a las vibraciones del tráfico de caballos, tormentas eléctricas distantes y similares, sería fácil para un observador "perderse" cuando las franjas volvieran a la visibilidad. Las ventajas de la luz blanca, que producía un patrón de franjas de color distintivo, superaron con creces las dificultades de alinear el aparato debido a su baja longitud de coherencia . ^[23] Este fue un ejemplo temprano del uso de la luz blanca para resolver la "ambigüedad 2 pi".

Aplicaciones

Física y astronomía

En física, uno de los experimentos más importantes de finales del siglo XIX fue el famoso "experimento fallido" de Michelson y Morley, que proporcionó pruebas de la relatividad especial . Recientes repeticiones del experimento de Michelson-Morley realizan mediciones heterodinas de frecuencias de latido de resonadores ópticos criogénicos cruzados . La figura 7 ilustra un experimento de resonador realizado por Müller et al. en 2003. ^[24] Dos resonadores ópticos construidos con zafiro cristalino, que controlan las frecuencias de dos láseres, se colocaron en ángulo recto dentro de un criostato de helio. Un comparador de frecuencia midió la frecuencia de batido de las salidas combinadas de los dos resonadores. A partir de 2009^[actualizar], la precisión con la que se puede excluir la anisotropía de la velocidad de la luz en los experimentos con resonadores está en el nivel ^10-17 . ^{[25] [26]}

Figura 7. Experimento de Michelson-Morley con resonadores ópticos criogénicos

Figura 8. Espectroscopia por transformada de Fourier

Figura 9. Una imagen de la corona solar tomada con el coronógrafo LASCO C1

Los interferómetros de Michelson se utilizan en filtros ópticos de banda estrecha sintonizables ^[27] y como el componente de hardware central de los espectrómetros de transformada de Fourier . ^[28]

Cuando se utilizan como un filtro de banda estrecha sintonizable, los interferómetros de Michelson presentan una serie de ventajas y desventajas en comparación con tecnologías de la competencia como los interferómetros de Fabry-Pérot o los filtros de Lyot.. Los interferómetros de Michelson tienen el campo de visión más grande para una longitud de onda específica y su funcionamiento es relativamente sencillo, ya que la sintonización se realiza mediante la rotación mecánica de las placas de ondas en lugar de mediante el control de alto voltaje de los cristales piezoeléctricos o los moduladores ópticos de niobato de litio como se usa en un sistema Fabry-Pérot . En comparación con los filtros Lyot, que utilizan elementos birrefringentes, los interferómetros de Michelson tienen una sensibilidad a la temperatura relativamente baja. En el lado negativo, los interferómetros de Michelson tienen un rango de longitud de onda relativamente restringido y requieren el uso de prefiltros que restringen la transmitancia. ^[29]

La figura 8 ilustra el funcionamiento de un espectrómetro de transformada de Fourier, que es esencialmente un interferómetro de Michelson con un espejo móvil. (Un espectrómetro de transformada de Fourier práctico sustituiría los reflectores de cubo de esquina por los espejos planos del interferómetro de Michelson convencional, pero por simplicidad, la ilustración no muestra esto). Un interferograma se genera al realizar mediciones de la señal en muchas posiciones discretas del espejo. Una transformada de Fourier convierte el interferograma en un espectro real. ^[30]

La Fig. 9 muestra una imagen Doppler de la corona solar obtenida usando un interferómetro Fabry-Pérot sintonizable para recuperar barridos de la corona solar en varias longitudes de onda cerca de la línea verde FeXIV. La imagen es una imagen codificada por colores del desplazamiento Doppler de la línea, que puede estar asociado con la velocidad del plasma coronal hacia o desde la cámara de satélite.

Los etalones de película fina de Fabry-Pérot se utilizan en filtros de paso de banda estrechos capaces de seleccionar una sola línea espectral para la obtención de imágenes; por ejemplo, la línea H-alfa o la línea Ca-K del Sol o las estrellas. La Fig. 10 muestra una imagen del Sol del Telescopio de Imágenes Ultravioleta Extremo (EIT) a 195 Ångströms (19,5 nm), correspondiente a una línea espectral de átomos de hierro ionizados múltiples. ^[31]EIT usó espejos reflectantes revestidos de múltiples capas que fueron revestidos con capas alternas de un elemento "espaciador" ligero (como el silicio) y un elemento "dispersor" pesado (como el molibdeno). Se colocaron aproximadamente 100 capas de cada tipo en cada espejo, con un grosor de alrededor de 10 nm cada una. Los espesores de capa se controlaron estrictamente de modo que a la longitud de onda deseada, los fotones reflejados de cada capa interfirieran constructivamente.

El Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) utiliza dos interferómetros Michelson-Fabry-Pérot de 4 km para la detección de ondas gravitacionales . ^[32] En esta aplicación, la cavidad de Fabry-Pérot se utiliza para almacenar fotones durante casi un milisegundo mientras rebotan hacia arriba y hacia abajo entre los espejos. Esto aumenta el tiempo que una onda gravitacional puede interactuar con la luz, lo que da como resultado una mejor sensibilidad a bajas frecuencias. Las cavidades más pequeñas, generalmente llamadas limpiadores de modo, se utilizan para el filtrado espacial y la estabilización de frecuencia del láser principal. La primera observación de ondas gravitacionales ocurrió el 14 de septiembre de 2015. ^[33]

El espacio de trabajo relativamente grande y de libre acceso del interferómetro Mach-Zehnder, y su flexibilidad para localizar las franjas, lo ha convertido en el interferómetro de elección para visualizar el flujo en túneles de viento, ^{[34] [35]} y para estudios de visualización de flujo en general. Se utiliza con frecuencia en los campos de la aerodinámica, la física del plasma y la transferencia de calor para medir los cambios de presión, densidad y temperatura de los gases. ^{[2] : 18,93–95}

Los interferómetros Mach-Zehnder también se utilizan para estudiar una de las predicciones más contradictorias de la mecánica cuántica, el fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico . ^{[36] [37]}

Figura 11. El interferómetro VLA

Un interferómetro astronómico logra observaciones de alta resolución utilizando la técnica de síntesis de apertura , mezclando señales de un grupo de telescopios comparativamente pequeños en lugar de un solo telescopio monolítico muy caro. ^[38]

Los primeros interferómetros de radiotelescopios utilizaban una única línea de base para la medición. Los interferómetros astronómicos posteriores, como el Very Large Array ilustrado en la Fig. 11, utilizaron conjuntos de telescopios dispuestos en un patrón en el suelo. Un número limitado de líneas de base dará como resultado una cobertura insuficiente. Esto se alivió utilizando la rotación de la Tierra para rotar la matriz en relación con el cielo. Por lo tanto, una sola línea de base podría medir información en múltiples orientaciones tomando medidas repetidas, una técnica llamada síntesis de rotación de la Tierra . Se lograron líneas de base de miles de kilómetros de longitud utilizando interferometría de línea de base muy larga . ^[38]

ALMA es un interferómetro astronómico ubicado en la meseta de Chajnantor ^[39]

La interferometría óptica astronómica ha tenido que superar una serie de problemas técnicos que no comparte la interferometría de radiotelescopios. Las longitudes de onda cortas de la luz requieren una precisión y estabilidad de construcción extremas. Por ejemplo, la resolución espacial de 1 milisegundo de arco requiere una estabilidad de 0,5 µm en una línea de base de 100 m. Las mediciones de interferometría óptica requieren detectores de alta sensibilidad y bajo ruido que no estuvieron disponibles hasta finales de la década de 1990. La "visión" astronómica , la turbulencia que hace que las estrellas titilen, introduce cambios de fase aleatorios y rápidos en la luz entrante, lo que requiere que las tasas de recopilación de datos en kilohercios sean más rápidas que la tasa de turbulencia. ^{[40] [41]} A pesar de estas dificultades técnicas,Aproximadamente una docena de interferómetros ópticos astronómicos están ahora en funcionamiento y ofrecen resoluciones de hasta un rango de milésimas de arco por segundo. Este video vinculado muestra una película ensamblada a partir de imágenes de síntesis de apertura del sistema Beta Lyrae , un sistema estelar binario a aproximadamente 960 años luz (290 parsecs) de distancia en la constelación de Lyra, según lo observado por la matriz CHARA con el instrumento MIRC. El componente más brillante es la estrella primaria o donante de masa. El componente más débil es el disco grueso que rodea a la estrella secundaria, o el ganador de masa. Los dos componentes están separados por 1 milisegundo de arco. Las distorsiones de marea del donante de masa y del ganador de masa son claramente visibles. ^[42]

El carácter ondulatorio de la materia se puede aprovechar para construir interferómetros. Los primeros ejemplos de interferómetros de materia fueron los interferómetros de electrones , seguidos más tarde por los interferómetros de neutrones . Alrededor de 1990 se demostraron los primeros interferómetros atómicos, seguidos más tarde por los interferómetros que emplean moléculas. ^{[43] [44] [45]}

La holografía electrónica es una técnica de obtención de imágenes que registra fotográficamente el patrón de interferencia de electrones de un objeto, que luego se reconstruye para producir una imagen muy ampliada del objeto original. ^[46] 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. ^[47]

La interferometría de neutrones se ha utilizado para investigar el efecto Aharonov-Bohm , para examinar los efectos de la gravedad que actúa sobre una partícula elemental y para demostrar un comportamiento extraño de los fermiones que está en la base del principio de exclusión de Pauli : a diferencia de los objetos macroscópicos, cuando los fermiones giran 360 ° alrededor de cualquier eje, no vuelven a su estado original, pero desarrollan un signo menos en su función de onda. En otras palabras, un fermión debe rotarse 720 ° antes de volver a su estado original. ^[48]

Las técnicas de interferometría atómica están alcanzando la precisión suficiente para permitir pruebas de relatividad general a escala de laboratorio . ^[49]

Los interferómetros se utilizan en física atmosférica para mediciones de alta precisión de gases traza mediante sondeos atmosféricos remotos. Hay varios ejemplos de interferómetros que utilizan características de absorción o emisión de gases traza. Un uso típico sería el monitoreo continuo de la concentración de la columna de gases traza como ozono y monóxido de carbono por encima del instrumento. ^[50]

Ingeniería y ciencias aplicadas

Figura 13. Franjas ópticas de interferencia planas. (izquierda) superficie plana, (derecha) superficie curva.

Cómo se forman las franjas de interferencia por un plano óptico que descansa sobre una superficie reflectante. La brecha entre las superficies y la longitud de onda de las ondas de luz están muy exageradas.

La interferometría de Newton (placa de prueba) se utiliza con frecuencia en la industria óptica para probar la calidad de las superficies a medida que se les da forma y figura. La Fig. 13 muestra fotos de pisos de referencia que se utilizan para verificar dos pisos de prueba en diferentes etapas de finalización, mostrando los diferentes patrones de franjas de interferencia. Los planos de referencia descansan con sus superficies inferiores en contacto con los planos de prueba y están iluminados por una fuente de luz monocromática. Las ondas de luz reflejadas desde ambas superficies interfieren, dando como resultado un patrón de bandas brillantes y oscuras. La superficie en la foto de la izquierda es casi plana, indicada por un patrón de franjas de interferencia rectas y paralelas a intervalos iguales. La superficie de la foto de la derecha es irregular, lo que da como resultado un patrón de franjas curvas.Cada par de franjas adyacentes representa una diferencia en la elevación de la superficie de la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada, por lo que las diferencias en la elevación se pueden medir contando las franjas. La planitud de las superficies se puede medir en millonésimas de pulgada con este método. Para determinar si la superficie que se está probando es cóncava o convexa con respecto al plano óptico de referencia, se puede adoptar cualquiera de varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan los flecos cuando se presiona suavemente sobre el plano superior. Si uno observa las franjas con luz blanca, la secuencia de colores se familiariza con la experiencia y ayuda en la interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de los flecos cuando se mueve la cabeza de una posición de visión normal a una oblicua.por lo que las diferencias de elevación se pueden medir contando las franjas. La planitud de las superficies se puede medir en millonésimas de pulgada con este método. Para determinar si la superficie que se está probando es cóncava o convexa con respecto al plano óptico de referencia, se puede adoptar cualquiera de varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan los flecos cuando se presiona suavemente sobre el plano superior. Si uno observa las franjas con luz blanca, la secuencia de colores se familiariza con la experiencia y ayuda en la interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de los flecos cuando se mueve la cabeza de una posición de visión normal a una oblicua.por lo que las diferencias de elevación se pueden medir contando las franjas. La planitud de las superficies se puede medir en millonésimas de pulgada con este método. Para determinar si la superficie que se está probando es cóncava o convexa con respecto al plano óptico de referencia, se puede adoptar cualquiera de varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan los flecos cuando se presiona suavemente sobre el plano superior. Si uno observa las franjas con luz blanca, la secuencia de colores se familiariza con la experiencia y ayuda en la interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de los flecos cuando se mueve la cabeza de una posición de visión normal a una oblicua.se puede adoptar cualquiera de varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan los flecos cuando se presiona suavemente sobre el plano superior. Si uno observa las franjas con luz blanca, la secuencia de colores se familiariza con la experiencia y ayuda en la interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de los flecos cuando se mueve la cabeza de una posición de visión normal a una oblicua.se puede adoptar cualquiera de varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan los flecos cuando se presiona suavemente sobre el plano superior. Si uno observa las franjas con luz blanca, la secuencia de colores se familiariza con la experiencia y ayuda en la interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de los flecos cuando se mueve la cabeza de una posición de visión normal a una oblicua.^[51] Este tipo de maniobras, aunque son comunes en el taller óptico, no son adecuadas en un entorno de prueba formal. Cuando los pisos estén listos para la venta, normalmente se montarán en un interferómetro Fizeau para realizar pruebas y certificaciones formales.

Los etalones de Fabry-Pérot se utilizan ampliamente en telecomunicaciones , láseres y espectroscopia para controlar y medir las longitudes de onda de la luz. Los filtros dicroicos son etalones de película fina de múltiples capas . En telecomunicaciones, la multiplexación por división de longitud de onda , la tecnología que permite el uso de múltiples longitudes de onda de luz a través de una sola fibra óptica, depende de dispositivos de filtrado que son etalones de película delgada. Los láseres monomodo emplean etalones para suprimir todos los modos de cavidad óptica excepto el único de interés. ^{[2] : 42}

Figura 14. Interferómetro Twyman – Green

El interferómetro Twyman-Green, inventado por Twyman y Green en 1916, es una variante del interferómetro de Michelson ampliamente utilizado para probar componentes ópticos. ^[52] Las características básicas que la distinguen de la configuración de Michelson son el uso de una fuente de luz puntual monocromática y un colimador. Michelson (1918) criticó la configuración Twyman-Green por no ser adecuada para la prueba de grandes componentes ópticos, ya que las fuentes de luz disponibles en ese momento tenían una longitud de coherencia limitada . Michelson señaló que las restricciones en la geometría forzadas por una longitud de coherencia limitada requerían el uso de un espejo de referencia del mismo tamaño que el espejo de prueba, lo que hacía que el Twyman-Green no fuera práctico para muchos propósitos. ^[53]Décadas más tarde, el advenimiento de las fuentes de luz láser respondió a las objeciones de Michelson. (Un interferómetro Twyman-Green que utiliza una fuente de luz láser y una longitud de trayectoria desigual se conoce como interferómetro de trayectoria desigual láser, o LUPI). La figura 14 ilustra un interferómetro Twyman – Green configurado para probar una lente. La luz de una fuente puntual monocromática se expande mediante una lente divergente (no mostrada), luego se colima en un haz paralelo. Se coloca un espejo esférico convexo de modo que su centro de curvatura coincida con el foco de la lente que se está probando. El haz emergente es registrado por un sistema de imágenes para su análisis. ^[54]

Los interferómetros Mach-Zehnder se utilizan en circuitos ópticos integrados , en los que la luz interfiere entre dos ramas de una guía de ondas que se modulan externamente para variar su fase relativa. Una ligera inclinación de uno de los divisores de haz resultará en una diferencia de trayectoria y un cambio en el patrón de interferencia. Interferómetros Mach-Zehnder son la base de una amplia variedad de dispositivos, desde los moduladores de RF a los sensores ^{[55] [56]} a conmutadores ópticos . ^[57]

Los últimos telescopios astronómicos extremadamente grandes propuestos , como el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Extremadamente Grande , serán de diseño segmentado. Sus espejos primarios se construirán a partir de cientos de segmentos de espejos hexagonales. Pulir y modelar estos segmentos de espejo altamente asféricos y no simétricos en rotación presenta un gran desafío. Los medios tradicionales de prueba óptica comparan una superficie con una referencia esférica con la ayuda de un corrector nulo. En los últimos años, los hologramas generados por computadora (CGH) han comenzado a complementar los correctores nulos en configuraciones de prueba para superficies asféricas complejas. La figura 15 ilustra cómo se hace esto. A diferencia de la figura, los CGH reales tienen un espaciado de línea del orden de 1 a 10 µm. Cuando la luz láser pasa a través del CGH, el haz difractado de orden cero no experimenta ninguna modificación del frente de onda. Sin embargo, el frente de onda del haz difractado de primer orden se modifica para adaptarse a la forma deseada de la superficie de prueba. En la configuración de prueba del interferómetro de Fizeau ilustrada, el haz difractado de orden cero se dirige hacia la superficie de referencia esférica, y el haz difractado de primer orden se dirige hacia la superficie de prueba de tal manera que los dos haces reflejados se combinan para formar franjas de interferencia. Se puede utilizar la misma configuración de prueba para los espejos más internos que para los más externos,con solo el CGH que necesita ser intercambiado.^[58]

Figura 15. Prueba óptica con un interferómetro Fizeau y un holograma generado por computadora

Los giroscopios láser de anillo (RLG) y los giroscopios de fibra óptica (FOG) son interferómetros que se utilizan en los sistemas de navegación. Operan según el principio del efecto Sagnac . La distinción entre RLG y FOG es que en un RLG, todo el anillo es parte del láser, mientras que en un FOG, un láser externo inyecta rayos contrapropagados en un anillo de fibra óptica , y la rotación del sistema provoca un cambio de fase relativo. entre esos rayos. En un RLG, el cambio de fase observado es proporcional a la rotación acumulada, mientras que en un FOG, el cambio de fase observado es proporcional a la velocidad angular. ^[59]

En las redes de telecomunicaciones, la heterodina se utiliza para mover frecuencias de señales individuales a diferentes canales que pueden compartir una sola línea de transmisión física. Esto se denomina multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, un cable coaxial utilizado por un sistema de televisión por cable puede transportar 500 canales de televisión al mismo tiempo porque a cada uno se le asigna una frecuencia diferente, por lo que no interfieren entre sí. Los detectores de radar Doppler de onda continua (CW) son básicamente dispositivos de detección heterodinos que comparan los haces transmitidos y reflejados. ^[60]

La detección óptica heterodina se utiliza para mediciones lidar Doppler coherentes capaces de detectar luz muy débil dispersa en la atmósfera y monitorear la velocidad del viento con alta precisión. Tiene aplicación en comunicaciones de fibra óptica , en varias técnicas espectroscópicas de alta resolución, y el método autoheterodino puede usarse para medir el ancho de línea de un láser. ^{[4] [61]}

Figura 16. Peine de frecuencia de un láser de modo bloqueado. Las líneas discontinuas representan una extrapolación de las frecuencias de modo hacia la frecuencia del desplazamiento de la envolvente de la portadora (CEO). La línea gris vertical representa una frecuencia óptica desconocida. Las líneas negras horizontales indican las dos medidas de frecuencia de batido más bajas.

La detección óptica de heterodinos es una técnica esencial utilizada en las mediciones de alta precisión de las frecuencias de las fuentes ópticas, así como en la estabilización de sus frecuencias. Hasta hace relativamente pocos años, se necesitaban cadenas de frecuencia largas para conectar la frecuencia de microondas de un cesio u otra fuente de tiempo atómico a las frecuencias ópticas. En cada paso de la cadena, se usaría un multiplicador de frecuencia para producir un armónico de la frecuencia de ese paso, que se compararía por detección heterodina con el siguiente paso (la salida de una fuente de microondas, láser infrarrojo lejano, láser infrarrojo, o láser visible). Cada medición de una sola línea espectral requirió varios años de esfuerzo en la construcción de una cadena de frecuencia personalizada. Actualmente, ópticoLos peines de frecuencia han proporcionado un método mucho más simple para medir frecuencias ópticas. Si un láser de modo bloqueado se modula para formar un tren de pulsos, se ve que su espectro consiste en la frecuencia portadora rodeada por un peine de frecuencias ópticas de banda lateral estrechamente espaciado con un espaciado igual a la frecuencia de repetición del pulso (Fig.16). La frecuencia de repetición de pulsos está bloqueada a la del estándar de frecuencia., y las frecuencias de los elementos de peine en el extremo rojo del espectro se duplican y heterodinan con las frecuencias de los elementos de peine en el extremo azul del espectro, lo que permite que el peine sirva como su propia referencia. De esta manera, el bloqueo de la salida del peine de frecuencia a un estándar atómico se puede realizar en un solo paso. Para medir una frecuencia desconocida, la salida del peine de frecuencia se dispersa en un espectro. La frecuencia desconocida se superpone con el segmento espectral apropiado del peine y se mide la frecuencia de los latidos heterodinos resultantes. ^{[62] [63]}

Una de las aplicaciones industriales más comunes de la interferometría óptica es como una herramienta de medición versátil para el examen de alta precisión de la topografía de la superficie. Las técnicas populares de medición interferométrica incluyen la interferometría de desplazamiento de fase (PSI), ^[64] y la interferometría de barrido vertical (VSI), ^[65] también conocida como interferometría de luz blanca de barrido (SWLI) o por el término ISO de interferometría de barrido de coherencia (CSI), ^{[66 ]} CSI aprovecha la coherencia para ampliar la gama de capacidades de microscopía de interferencia. ^{[67] [68]}Estas técnicas se utilizan ampliamente en la fabricación microelectrónica y microóptica. PSI utiliza luz monocromática y proporciona mediciones muy precisas; sin embargo, solo se puede utilizar en superficies muy lisas. CSI a menudo usa luz blanca y aperturas numéricas altas, y en lugar de mirar la fase de las franjas, como hace PSI, busca la mejor posición de máximo contraste de franjas o alguna otra característica del patrón de franjas general. En su forma más simple, CSI proporciona mediciones menos precisas que PSI, pero se puede utilizar en superficies rugosas. Algunas configuraciones de CSI, conocidas como Enhanced VSI (EVSI), SWLI de alta resolución o Análisis de dominio de frecuencia (FDA), utilizan efectos de coherencia en combinación con la fase de interferencia para mejorar la precisión. ^{[69] [70]}

Figura 17. Interferómetros de barrido por desplazamiento de fase y coherencia

La interferometría por desplazamiento de fase aborda varios problemas asociados con el análisis clásico de interferogramas estáticos. Clásicamente, se miden las posiciones de los centros marginales. Como se ve en la Fig. 13, las desviaciones de la franja de la rectitud y el espaciado igual proporcionan una medida de la aberración. Los errores en la determinación de la ubicación de los centros marginales proporcionan el límite inherente a la precisión del análisis clásico, y cualquier variación de intensidad en el interferograma también introducirá un error. Existe una compensación entre la precisión y el número de puntos de datos: las franjas poco espaciadas proporcionan muchos puntos de datos de baja precisión, mientras que las franjas muy espaciadas proporcionan un número bajo de puntos de datos de alta precisión. Dado que los datos del centro marginal son todo lo que se usa en el análisis clásico,toda la otra información que teóricamente podría obtenerse mediante un análisis detallado de las variaciones de intensidad en un interferograma se desecha.^{[71] [72]} Finalmente, con interferogramas estáticos, se necesita información adicional para determinar la polaridad del frente de onda: En la Fig. 13, se puede ver que la superficie probada a la derecha se desvía de la planitud, pero no se puede decir a partir de este único imagina si esta desviación de la planitud es cóncava o convexa. Tradicionalmente, esta información se obtendría utilizando medios no automatizados, como observando la dirección en la que se mueven las franjas cuando se empuja la superficie de referencia. ^[73]

La interferometría de cambio de fase supera estas limitaciones al no depender de la búsqueda de centros marginales, sino al recopilar datos de intensidad de cada punto del sensor de imagen CCD . Como se ve en la Fig. 17, se analizan múltiples interferogramas (al menos tres) con la superficie óptica de referencia desplazada en una fracción precisa de una longitud de onda entre cada exposición utilizando un transductor piezoeléctrico (PZT). Alternativamente, se pueden introducir cambios de fase precisos modulando la frecuencia del láser. ^[74] Las imágenes capturadas son procesadas por una computadora para calcular los errores del frente de onda óptico. La precisión y reproducibilidad de la PSI es mucho mayor de lo que es posible en el análisis de interferograma estático, siendo rutinarias las repetitivas de medición de una centésima de longitud de onda.^{[71] [72]} La tecnología de cambio de fase se ha adaptado a una variedad de tipos de interferómetros como Twyman-Green, Mach-Zehnder, láser Fizeau e incluso configuraciones de trayectoria comunes como los interferómetros de difracción puntual y de cizallamiento lateral. ^{[73] [75]} De manera más general, las técnicas de desplazamiento de fase se pueden adaptar a casi cualquier sistema que utilice franjas para la medición, como la interferometría holográfica y moteada. ^[73]

Figura 18. Células lunadas de Nepenthes khasiana visualizadas por interferometría de luz blanca de barrido (SWLI)

Figura 19. Interferómetro Twyman – Green configurado como escáner de luz blanca

En la interferometría de barrido de coherencia , ^{[76] la} interferencia sólo se logra cuando los retardos de la longitud de la trayectoria del interferómetro coinciden con el tiempo de coherencia de la fuente de luz. CSI monitorea el contraste de las franjas en lugar de la fase de las franjas. ^{[2] : 105 La} Fig. 17 ilustra un microscopio CSI que utiliza un interferómetro Mirau en el objetivo; Otras formas de interferómetro que se utilizan con luz blanca incluyen el interferómetro de Michelson (para objetivos de bajo aumento, donde el espejo de referencia en un objetivo Mirau interrumpiría demasiado la apertura) y el interferómetro Linnik (para objetivos de gran aumento con una distancia de trabajo limitada). ^[77]La muestra (o alternativamente, el objetivo) se mueve verticalmente sobre el rango de altura completo de la muestra, y se encuentra la posición de máximo contraste de franja para cada píxel. ^{[67] [78]} El principal beneficio de la interferometría de barrido de coherencia es que se pueden diseñar sistemas que no sufran de la ambigüedad 2 pi de la interferometría coherente, ^{[79] [80] [81]} y como se ve en la Fig. 18, que escanea un volumen de 180μm x 140μm x 10μm, es muy adecuado para perfilar escalones y superficies rugosas. La resolución axial del sistema está determinada en parte por la longitud de coherencia de la fuente de luz. ^{[82] [83]} Las aplicaciones industriales incluyen metrología de superficie en proceso., medición de rugosidad, metrología de superficies 3D en espacios de difícil acceso y en entornos hostiles, perfilometría de superficies con características de alta relación de aspecto (ranuras, canales, orificios) y medición de espesores de película (industrias de semiconductores y ópticas, etc.) . ^{[84] [85]}

La Fig. 19 ilustra un interferómetro Twyman-Green configurado para escanear con luz blanca un objeto macroscópico.

La interferometría holográfica es una técnica que utiliza la holografía para monitorear pequeñas deformaciones en implementaciones de una sola longitud de onda. En implementaciones de longitudes de onda múltiples, se utiliza para realizar metrología dimensional de piezas y ensamblajes grandes y para detectar defectos superficiales más grandes. ^{[2] : 111–120}

La interferometría holográfica se descubrió por accidente como resultado de errores cometidos durante la elaboración de hologramas. Los primeros láseres eran relativamente débiles y las placas fotográficas insensibles, lo que requería exposiciones prolongadas durante las cuales podían producirse vibraciones o cambios mínimos en el sistema óptico. Los hologramas resultantes, que mostraban al sujeto holográfico cubierto de flecos, se consideraron arruinados. ^[86]

Finalmente, varios grupos independientes de experimentadores a mediados de los 60 se dieron cuenta de que las franjas codificaban información importante sobre los cambios dimensionales que ocurrían en el sujeto y comenzaron a producir intencionalmente exposiciones dobles holográficas. El artículo principal sobre interferometría holográfica cubre las disputas sobre la prioridad del descubrimiento que se produjeron durante la emisión de la patente de este método. ^[87]

La holografía de exposición doble y múltiple es uno de los tres métodos utilizados para crear interferogramas holográficos. Una primera exposición registra el objeto en un estado sin estrés. Las exposiciones posteriores en la misma placa fotográfica se realizan mientras el objeto está sometido a cierta tensión. La imagen compuesta muestra la diferencia entre los estados estresado y no estresado. ^[88]

La holografía en tiempo real es un segundo método para crear interferogramas holográficos. Se crea un holograma del objeto sin estrés. Este holograma se ilumina con un haz de referencia para generar una imagen de holograma del objeto directamente superpuesto sobre el propio objeto original mientras el objeto está sometido a cierta tensión. Las ondas del objeto de esta imagen de holograma interferirán con las nuevas ondas provenientes del objeto. Esta técnica permite el seguimiento en tiempo real de los cambios de forma. ^[88]

El tercer método, la holografía de tiempo promedio, implica la creación de una holografía mientras el objeto está sujeto a una tensión o vibración periódica. Esto produce una imagen visual del patrón de vibración. ^[88]

• Figura 20. Imagen InSAR de Kilauea, Hawaii que muestra franjas causadas por la deformación del terreno durante un período de seis meses.

• Figura 21. Franjas ESPI que muestran un modo de vibración de una placa cuadrada sujeta

El radar interferométrico de apertura sintética (InSAR) es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Radar de apertura sintética satelitallas imágenes de una característica geográfica se toman en días separados, y los cambios que han tenido lugar entre las imágenes de radar tomadas en días separados se registran como franjas similares a las obtenidas en la interferometría holográfica. La técnica puede monitorear la deformación a escala de centímetro a milímetro resultante de terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y también tiene usos en ingeniería estructural, en particular para el monitoreo de hundimientos y estabilidad estructural. La figura 20 muestra Kilauea, un volcán activo en Hawai. Los datos adquiridos utilizando el radar de apertura sintética de banda X del transbordador espacial Endeavour el 13 de abril de 1994 y el 4 de octubre de 1994 se utilizaron para generar franjas interferométricas, que se superpusieron en la imagen X-SAR de Kilauea. ^[89]

La interferometría de patrón de moteado electrónico (ESPI), también conocida como holografía de TV, utiliza la detección y grabación de video para producir una imagen del objeto sobre la cual se superpone un patrón de franjas que representa el desplazamiento del objeto entre grabaciones. (ver Fig. 21) Las franjas son similares a las obtenidas en la interferometría holográfica. ^{[2] : 111–120 [90]}

Cuando se inventaron por primera vez los láseres , el moteado del láser se consideraba un grave inconveniente en el uso de láseres para iluminar objetos, particularmente en la formación de imágenes holográficas debido a la imagen granulada producida. Más tarde se descubrió que los patrones de motas podían transportar información sobre las deformaciones de la superficie del objeto. Butters y Leendertz desarrollaron la técnica de interferometría de patrón de moteado en 1970, ^[91]y desde entonces, el moteado se ha explotado en una variedad de otras aplicaciones. Se toma una fotografía del patrón de motas antes de la deformación, y se toma una segunda fotografía del patrón de motas después de la deformación. La resta digital de las dos imágenes da como resultado un patrón de franjas de correlación, donde las franjas representan líneas de igual deformación. Se pueden utilizar pulsos de láser cortos en el rango de nanosegundos para capturar eventos transitorios muy rápidos. Existe un problema de fase: en ausencia de otra información, no se puede distinguir entre las curvas de nivel que indican un pico y las curvas de nivel que indican un valle. Para resolver el problema de la ambigüedad de fase, ESPI puede combinarse con métodos de cambio de fase. ^{[92] [93]}

Un método para establecer líneas de base geodésicas precisas , inventado por Yrjö Väisälä , aprovechó la longitud de baja coherencia de la luz blanca. Inicialmente, la luz blanca se dividió en dos, con el haz de referencia "plegado", rebotando hacia adelante y hacia atrás seis veces entre un par de espejos espaciados exactamente a 1 m de distancia. Solo si la ruta de prueba fuera exactamente 6 veces la ruta de referencia, se verían franjas. Las aplicaciones repetidas de este procedimiento permitieron la medición precisa de distancias de hasta 864 metros. Las líneas de base así establecidas se utilizaron para calibrar el equipo de medición de distancias geodésicas, lo que dio lugar a una escala trazable metrológicamente para las redes geodésicas medidas por estos instrumentos. ^[94] (Este método ha sido reemplazado por GPS).

Otros usos de los interferómetros han sido el estudio de la dispersión de materiales, la medición de índices complejos de refracción y las propiedades térmicas. También se utilizan para el mapeo de movimiento tridimensional, incluido el mapeo de patrones vibratorios de estructuras. ^[69]

Biología y medicina

La interferometría óptica, aplicada a la biología y la medicina, proporciona capacidades de metrología sensibles para la medición de biomoléculas, componentes subcelulares, células y tejidos. ^[95] Muchas formas de biosensores sin etiquetas se basan en la interferometría porque la interacción directa de los campos electromagnéticos con la polarización molecular local elimina la necesidad de etiquetas fluorescentes o marcadores de nanopartículas. A mayor escala, la interferometría celular comparte aspectos con la microscopía de contraste de fase, pero comprende una clase mucho mayor de configuraciones ópticas sensibles a la fase que dependen de la interferencia óptica entre los componentes celulares a través de la refracción y la difracción. A escala de tejido, la propagación de la luz dispersa hacia adelante parcialmente coherente a través de las microaberraciones y la heterogeneidad de la estructura del tejido brinda oportunidades para usar la sincronización sensible a la fase (tomografía de coherencia óptica), así como la espectroscopia de fluctuación sensible a la fase para obtener imágenes de propiedades dinámicas y estructurales sutiles .

Figura 22. Configuración óptica típica de OCT de un solo punto

Figura 23. Retinopatía serosa central , obtenida mediante tomografía de coherencia óptica

La tomografía de coherencia óptica(OCT) es una técnica de imágenes médicas que utiliza interferometría de baja coherencia para proporcionar visualización tomográfica de microestructuras de tejido interno. Como se ve en la Fig. 22, el núcleo de un sistema OCT típico es un interferómetro de Michelson. Un brazo del interferómetro se enfoca en la muestra de tejido y escanea la muestra en un patrón de trama longitudinal XY. El otro brazo del interferómetro rebota en un espejo de referencia. La luz reflejada de la muestra de tejido se combina con la luz reflejada de la referencia. Debido a la baja coherencia de la fuente de luz, la señal interferométrica se observa solo en una profundidad de muestra limitada. Por lo tanto, el escaneo XY registra un corte óptico delgado de la muestra a la vez. Al realizar múltiples exploraciones, moviendo el espejo de referencia entre cada exploración, se puede reconstruir una imagen tridimensional completa del tejido.^{[96] [97]} Los avances recientes se han esforzado por combinar la recuperación de fase nanométrica de la interferometría coherente con la capacidad de determinación de distancia de la interferometría de baja coherencia. ^[69]

• Figura 24. Célula de Spyrogira (separada del filamento de algas) bajo contraste de fase

• Figura 25. Oocisto no esporulado de Toxoplasma gondii , contraste de interferencia diferencial

• Figura 26. Imagen de rayos X de contraste de fase de alta resolución de una araña

La microscopía de contraste de fase y contraste de interferencia diferencial (DIC) son herramientas importantes en biología y medicina. La mayoría de las células animales y los organismos unicelulares tienen muy poco color y sus orgánulos intracelulares son casi totalmente invisibles bajo una simple iluminación de campo brillante . Estas estructuras pueden hacerse visibles al teñir las muestras, pero los procedimientos de tinción requieren mucho tiempo y matan las células. Como se ve en las Figs. Los microscopios de contraste de fase y DIC de 24 y 25 permiten estudiar células vivas no teñidas. ^[98] DIC también tiene aplicaciones no biológicas, por ejemplo, en el análisis del procesamiento de semiconductores de silicio plano .

La interferometría de baja coherencia resuelta en ángulo (a / LCI) utiliza luz dispersa para medir el tamaño de los objetos subcelulares, incluidos los núcleos celulares . Esto permite combinar las mediciones de profundidad de interferometría con las mediciones de densidad. Se han encontrado varias correlaciones entre el estado de salud de los tejidos y las medidas de los objetos subcelulares. Por ejemplo, se ha descubierto que a medida que el tejido cambia de normal a canceroso, aumenta el tamaño medio del núcleo celular. ^{[99] [100]}

Las imágenes de rayos X de contraste de fase (Fig. 26) se refieren a una variedad de técnicas que utilizan información de fase de un haz de rayos X coherente para obtener imágenes de los tejidos blandos. (Para una discusión elemental, consulte Imágenes de rayos X de contraste de fase (introducción) . Para una revisión más detallada, consulte Imágenes de rayos X de contraste de fase ). Se ha convertido en un método importante para visualizar estructuras celulares e histológicas en un amplia gama de estudios biológicos y médicos. Hay varias tecnologías que se utilizan para obtener imágenes de contraste de fase de rayos X, y todas utilizan principios diferentes para convertir las variaciones de fase en los rayos X que emergen de un objeto en variaciones de intensidad. ^{[101] [102]} Estos incluyen contraste de fase basado en propagación, ^[103] interferometría de Talbot ,^[102] Interferometría de campo lejano basada en Moiré , ^[104] imágenes mejoradas por refracción, ^[105] e interferometría de rayos X. ^[106] Estos métodos proporcionan un mayor contraste en comparación con las imágenes de rayos X de absorción-contraste normales, lo que permite ver detalles más pequeños. Una desventaja es que estos métodos requieren equipos más sofisticados, comofuentes de rayos X de sincrotrón o microfoco , óptica de rayos X o detectores de rayos X de alta resolución.

Ver también

• Coherencia
• Interferometría de barrido de coherencia
• Sensor de guía fina (HST) (HST FGS son interferómetros)
• Holografía
• Visibilidad interferométrica
• Litografía de interferencia
• Lista de tipos de interferómetros
• Interferometría de Ramsey
• Interferometría sísmica
• Principio de superposición
• Interferometría basal muy larga
• Flujo de espacio cero

Referencias

• Medios relacionados con la interferometría en Wikimedia Commons

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