Interferometría

La interferometría es una técnica que utiliza la interferencia de ondas superpuestas para extraer información. ^[1] La interferometría suele utilizar ondas electromagnéticas y es una técnica de investigación importante en los campos de la astronomía , la fibra óptica , la ingeniería metrológica , 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, microfluídica , medición de tensión/deformación mecánica, velocimetría , optometría y creación de hologramas . ^{[2] : 1–2}

Los interferómetros son dispositivos que extraen información de la interferencia. Son ampliamente utilizados en la ciencia y la industria para la medición de desplazamientos microscópicos, cambios en el índice de refracción e irregularidades superficiales. En el caso de la mayoría de los interferómetros, la luz de una sola fuente se divide en dos haces que viajan en diferentes caminos ópticos , que luego se combinan nuevamente para producir interferencia; Sin embargo, también se pueden hacer que dos fuentes incoherentes interfieran en algunas circunstancias. ^[3] Las franjas de interferencia resultantes brindan información sobre la diferencia en las longitudes de los caminos ópticos. En la ciencia analítica, los interferómetros se utilizan para medir la longitud y la forma de los componentes ópticos con precisión nanométrica; son los instrumentos de medición de longitud de mayor precisión que existen. En la espectroscopia de 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 consiste en 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.

La interferometría hace uso del principio de superposición para combinar ondas de manera que el resultado de su combinación tenga alguna propiedad significativa que diagnostique el estado original de las ondas. Esto funciona porque cuando se combinan dos ondas con la misma frecuencia , el patrón de intensidad resultante está determinado por la diferencia de fase entre las dos ondas: las ondas que están en fase sufrirán una 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 usan luz o alguna otra forma deonda electromagnética . ^{[2] : 3–12}

Por lo general (consulte la figura 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 haces recorre una ruta diferente, llamada trayectoria, 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 caminos, entonces la diferencia de fase es un diagnóstico de cualquier cosa que cambie la fase a lo largo de los caminos. Esto podría ser un cambio físico en ella longitud del camino o un cambio en el índice de refracción a lo largo del camino. ^{[2] : 93–103}

Figura 1. El camino 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 (intensificando su 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.

Figura 2. Formación de franjas en un interferómetro de Michelson

Figura 3. Franjas coloreadas 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 usando luz monocromática ( líneas D de sodio )

Figura 4. Cuatro ejemplos de interferómetros de camino común

Figura 5. Dos interferómetros de división de frente de onda

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

Figura 11. El interferómetro VLA

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

Figura 13. Franjas de interferencia planas ópticas. (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 son muy exageradas.

Figura 14. Interferómetro Twyman-Green

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

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 portadora (CEO). La línea gris vertical representa una frecuencia óptica desconocida. Las líneas negras horizontales indican las dos mediciones de frecuencia de latido más bajas.

Figura 17. Interferómetros de barrido de Coherencia y desplazamiento de fase

Figura 18. Células semilunares de Nepenthes khasiana visualizadas mediante interferometría de luz blanca de barrido (SWLI)

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