Мах-Цендер интерферометрі: Жарық фазалық айырмасын анықтау құрылғысы
Mach–Zehnder interferometer
Мах-Цендер интерферометрі: сәулелердің фазалық айырмасын өлшеу құрылмы. Физикалық зерттеулерде, кванттық механикада қолданылады. Жарықпен және электрондармен жұмыс істейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Салыстырмалы фазалық ауысуды анықтау құрылғысы
Device to determine relative phase shift
Мах-Зендер интерферометрі – бір көзден жарық бөлініп алынған екі параллель сәуле арасындағы салыстырмалы фазалық ауысу өзгерістерін анықтауға қолданылатын құрылғы. Бұл интерферометр, басқа нәрселермен қатар, екі сәуле арасындағы фазалық ауысуларды, олардың үлгі арқылы өтуінен немесе жолдардың ұзындығындағы өзгерістерден туындаған өзгерістерді өлшеу үшін пайдаланылады. Аппарат физиктер Людвиг Мах (Эрнст Махтың ұлы) және Людвиг Зендердің есімдерімен аталады; Зендердің 1891 жылғы мақаласындағы ұсынысын Мах 1892 жылғы мақаласында жетілдірді. Электрондармен де, жарықпен де Мах-Зендер интерферометриясы жүзеге асырылды. Мах-Зендер конфигурациясының әмбебаптығы кванттық механиканың негізгі салалары сияқты түрлі зерттеу тақырыптарында қолданылуына мүмкіндік берді.
The Mach–Zehnder interferometer is a device used to determine the relative phase shift variations between two collimated beams derived by splitting light from a single source. The interferometer has been used, among other things, to measure phase shifts between the two beams caused by a sample or a change in length of one of the paths. The apparatus is named after the physicists Ludwig Mach (the son of Ernst Mach) and Ludwig Zehnder; Zehnder's proposal in an 1891 article was refined by Mach in an 1892 article. Mach–Zehnder interferometry with electrons as well as with light has been demonstrated. The versatility of the Mach–Zehnder configuration has led to its being used in a range of research topics efforts especially in fundamental quantum mechanics.
Дизайн
Мах-Цендерлік бақылау интерферометрі – жоғары конфигурацияланатын құрал. Белгілі Микельсон интерферометрінен айырмашылығы, жарық жолдарының әрқайсысы бір рет қана өтеді. Егер жарық көзінің когерентті ұзындығы төмен болса, екі оптикалық жолды теңестіруге ерекше көңіл бөлу қажет. Ақ жарыққа қатысты, оптикалық жолдардың барлық толқын ұзындығы бойынша бірдей теңестірілуі керек, әйтпесе шеттер көрінбейді (монохроматикалық сүзгі бір толқын ұзындығын бөліп алса басқаша). 1-суретте көрсетілгендей, сынақ жасушасымен бірдей шыныдан жасалған компенсациялық жасуша (олардың оптикалық дисперсиясы бірдей болу үшін) эталондық сәуле жолына орналастырылады, сынақ жасушасымен сәйкес келеді. Сәуле бөлігіштердің дәл бағытына да назар аударыңыз. Сәуле бөлігіштердің шағылыстыратын беттері сынақ және эталондық сәулелердің бірдей мөлшерде шыныдан өтуі үшін бағытталған. Осы бағытта сынақ және эталондық сәулелердің әрқайсысы екі алдыңғы беттен шағылысқа ұшырайды, нәтижесінде фазалық инверсиялардың саны бірдей болады. Соның салдарынан жарық сынақ және эталондық сәулелер арқылы бірдей оптикалық жол ұзындығымен өтеді, бұл конструктивті интерференцияға алып келеді. Коллимацияланған көздер жергілікті емес шеттік суретті құрайды. Кеңейтілген көз қолданғанда жергілікті шеттер пайда болады. 2-суретте шеттерді кез келген қалаған жазықтықта орналастыруға болатынын көреміз. Көп жағдайда шеттер сынақ нысанымен бір жазықтықта орналастырылады, осылайша шеттер мен сынақ нысаны бірге суретке түсіріледі.
The Mach–Zehnder check interferometer is a highly configurable instrument. In contrast to the well known Michelson interferometer, each of the well separated light paths is traversed only once. If the source has a low coherence length then great care must be taken to equalize the two optical paths. White light in particular requires the optical paths to be simultaneously equalized over all wavelengths, or no fringes will be visible (unless a monochromatic filter is used to isolate a single wavelength). As seen in Fig. 1, a compensating cell made of the same type of glass as the test cell (so as to have equal optical dispersion) would be placed in the path of the reference beam to match the test cell. Note also the precise orientation of the beam splitters. The reflecting surfaces of the beam splitters would be oriented so that the test and reference beams pass through an equal amount of glass. In this orientation, the test and reference beams each experience two front surface reflections, resulting in the same number of phase inversions. The result is that light travels through an equal optical path length in both the test and reference beams leading to constructive interference. Collimated sources result in a nonlocalized fringe pattern. Localized fringes result when an extended source is used. In Fig. 2, we see that the fringes can be adjusted so that they are localized in any desired plane. In most cases, the fringes would be adjusted to lie in the same plane as the test object, so that fringes and test object can be photographed together.
Операция
Бірге шоғырланған сәуле жартылай күмісделген айнамен бөлінеді. Нәтижесінде пайда болған екі сәуле (“үлгі сәулесі” және “қуәттәу сәулесі”) әрқайсысы айна арқылы шағылысады. Екі сәуле екінші жартылай күмісделген айнадан өтіп, екі детекторға жетеді. Диэлектрикте толқынның шағылысуы мен өтуіне қатысты Френель теңдеулері, толқынның төмен сыну көрсеткіші бар ортадан жоғары сыну көрсеткіші бар ортаға шағылысқанда фазалық өзгеріс болатынын, бірақ кері жағдайда жоқ екенін көрсетеді. Айнаның алдыңғы бетінен шағылысқанда 180° фазалық ығысу пайда болады, себебі айнаның артындағы орта (шыны) жарық жүріп жатқан ортаға (ауаға) қарағанда жоғары сыну көрсеткішіне ие. Айнаның артқы бетінен шағылысқанда фазалық ығысу болмайды, өйткені айнаның артындағы орта (ауа) жарық жүріп жатқан ортадан (шыныдан) төмен сыну көрсеткішіне ие. Жарық жылдамдығы вакуумдегіден жоғары сыну көрсеткіші бар ортада төмендейді, ол 1-ге тең. Оның жылдамдығы: v = c/n, мұндағы c – вакуумдегі жарық жылдамдығы, ал n – сыну көрсеткіші. Бұл фазалық ығысудың (n − 1) × жүрілген қашықтыққа пропорционалды өсуіне себеп болады. Егер k – айна орналасқан шыны тақтадан өту кезінде туындайтын тұрақты фазалық ығысу болса, айнаның артқы жағынан шағылысқанда жалпы 2k фазалық ығысу пайда болады. Себебі айнаның артқы жағына қарай қозғалған жарық шыны тақтаға кіріп, k фазалық ығысуды тудырады, содан кейін айнадан қосымша фазалық ығысусыз шағылысады, себебі айнаның артында тек ауа бар, және қайтадан шыны тақтадан өтіп, қосымша k фазалық ығысуды тудырады. Фазалық ығысу туралы ереже диэлектрлік жабынмен жасалған сәуле бөлуге қолданылады және металл жабын қолданылғанда немесе әртүрлі поляризациялар ескерілгенде өзгертілуі керек. Сонымен қатар, нақты интерферометрлерде сәуле бөлушілердің қалыңдығы әртүрлі болуы мүмкін, ал жолдардың ұзындығы міндетті түрде тең болмайды. Дегенмен, сіңіру болмаған жағдайда энергияның сақталуы екі жолдың жарты толқын ұзындығына тең фазалық ығысумен ерекшеленетінін кепілдейді. Сондай-ақ, интерферометрдің белгілі бір өлшемдердегі тиімділігін арттыру үшін 50/50 емес сәуле бөлушілер жиі қолданылады.
The collimated beam is split by a half silvered mirror. The two resulting beams (the "sample beam" and the "reference beam") are each reflected by a mirror. The two beams then pass a second half silvered mirror and enter two detectors. The Fresnel equations for reflection and transmission of a wave at a dielectric imply that there is a phase change for a reflection, when a wave propagating in a lower refractive index medium reflects from a higher refractive index medium, but not in the opposite case. A 180° phase shift occurs upon reflection from the front of a mirror, since the medium behind the mirror (glass) has a higher refractive index than the medium the light is traveling in (air). No phase shift accompanies a rear surface reflection, since the medium behind the mirror (air) has a lower refractive index than the medium the light is traveling in (glass). The speed of light is lower in media with an index of refraction greater than that of a vacuum, which is 1. Specifically, its speed is: v = c/n, where c is the speed of light in vacuum, and n is the index of refraction. This causes a phase shift increase proportional to (n − 1) × length traveled. If k is the constant phase shift incurred by passing through a glass plate on which a mirror resides, a total of 2k phase shift occurs when reflecting from the rear of a mirror. This is because light traveling toward the rear of a mirror will enter the glass plate, incurring k phase shift, and then reflect from the mirror with no additional phase shift, since only air is now behind the mirror, and travel again back through the glass plate, incurring an additional k phase shift. The rule about phase shifts applies to beamsplitters constructed with a dielectric coating and must be modified if a metallic coating is used or when different polarizations are taken into account. Also, in real interferometers, the thicknesses of the beamsplitters may differ, and the path lengths are not necessarily equal. Regardless, in the absence of absorption, conservation of energy guarantees that the two paths must differ by a half wavelength phase shift. Also beamsplitters that are not 50/50 are frequently employed to improve the interferometer's performance in certain types of measurement.
Қолданылуы
Мах-Цендер интерферометрінің салыстырмалы түрде үлкен және еркін қолжетімді жұмыс кеңістігі, сондай-ақ, интерференциялық жолақтарды орналастырудағы икемділігі, оны жел тоннельдерінде ағынды визуализациялау және жалпы ағын визуализациялау зерттеулері үшін таңдаулы интерферометр етіп бекітті. Ол әдетте аэродинамика, плазма физикасы және жылу алмасу салаларында газдардың қысымын, тығыздығын және температурасының өзгеруін өлшеу үшін қолданылады. Эталондық каналдағы жарықтың қасиеттерін нысандық каналдағы жарықты бұзбай оңай басқару мүмкіндігі, Мах-Цендер конфигурациясын голографиялық интерферометрияда кеңінен танымал етті. Атап айтқанда, осінен ауысқан, жиілігі өзгертілген эталондық сәулемен оптикалық гетеродиндік детекция, видео жылдамдығымен жұмыс істейтін камералар, виброметрия және қан ағынының лазерлік Допплерлік бейнелеуімен атылған шуға шектеу қоятын голография үшін жақсы тәжірибелік жағдайларды қамтамасыз етеді. Оптикалық телекоммуникацияларда ол жарықтың фазалық және амплитудалық модуляциясы үшін электрооптикалық модулятор ретінде қолданылады. Оптикалық есептеулерді зерттеушілер күрделі мәнді нейрондық желі алгоритмдерін айтарлықтай жеделдету үшін оптикалық нейрондық чиптерде Мах-Цендер интерферометр конфигурацияларын пайдалануды ұсынды. Мах-Цендер конфигурациясының әмбебаптығы кванттық механикадағы фундаменталды зерттеулердің кең ауқымында қолданылуына әкелді, оның ішінде контрафактілік анықтық, кванттық байланыс, кванттық есептеу, кванттық криптография, кванттық логика, Элитзур-Вейдман бомба тестілеушісі, кванттық жою эксперименті, кванттық Зено эффектісі және нейтрон дифракциясы зерттеулері.
The Mach–Zehnder interferometer's relatively large and freely accessible working space, and its flexibility in locating the fringes has made it the interferometer of choice for visualizing flow in wind tunnels and for flow visualization studies in general. It is frequently used in the fields of aerodynamics, plasma physics and heat transfer to measure pressure, density, and temperature changes in gases. The possibility to easily control the features of the light in the reference channel without disturbing the light in the object channel popularized the Mach–Zehnder configuration in holographic interferometry. In particular, optical heterodyne detection with an off axis, frequency shifted reference beam ensures good experimental conditions for shot noise limited holography with video rate cameras, vibrometry, and laser Doppler imaging of blood flow. In optical telecommunications it is used as an electro optic modulator for phase and amplitude modulation of light. Optical computing researchers have proposed using Mach Zehnder interferometer configurations in optical neural chips for greatly accelerating complex valued neural network algorithms. The versatility of the Mach–Zehnder configuration has led to its being used in a wide range of fundamental research topics in quantum mechanics, including studies on counterfactual definiteness, quantum entanglement, quantum computation, quantum cryptography, quantum logic, Elitzur–Vaidman bomb tester, the quantum eraser experiment, the quantum Zeno effect, and neutron diffraction.