Кіріспе

Оптикалық интерферометрияның жалпы конфигурациясы – астрономиялық интерферометр. Микельсон интерферометрі – оптикалық интерферометрияның кең таралған конфигурациясы және оны 19-20 ғасырлардағы американ физигі Альберт Абрахам Микельсон ойлап тапты. Сәуле бөлігішті пайдалана отырып, жарық көзі екі тармаққа бөлінеді. Осы жарық сәулелерінің әрқайсысы сәуле бөлігішке кері шағылысады, ол олардың амплитудаларын суперпозиция принципі бойынша біріктіреді. Нәтижедегі интерференциялық сурет жарық көзіне бағытталмайды, әдетте фотоэлектрлік детектордың немесе камераның бір түріне бағытталады. Интерферометрдің әртүрлі қолданылуы үшін екі жарық жолы әртүрлі ұзындықта болуы мүмкін немесе сыналып жатқан оптикалық элементтерді немесе тіпті материалдарды қамтуы мүмкін. Микельсон интерферометрі (басқа интерферометр конфигурацияларымен қатар) көптеген ғылыми эксперименттерде қолданылады және Микельсон мен Эдвард Морлидің 1887 жылғы атақты Микельсон-Морли экспериментінде Жердің қозғалысын анықтау үшін қолданылған конфигурациясымен кеңінен танымал болды, бұл кезде көптеген физиктер жарық толқындары таралатын орта деп есептеген. Эксперименттің теріс нәтижесі мұндай эфирдің бар екенін жоққа шығарды, бұл арнайы салыстырмалылық теориясына және 20 ғасырдың басында физикадағы революцияға әкелді. 2015 жылы Микельсон интерферометрінің тағы бір қолданылуы – LIGO, алғашқы рет гравитациялық толқындарды тікелей байқады. Бұл байқау жалпы салыстырмалылық теориясының маңызды болжамын растады, теорияның кең ауқымды ғарыштық құбылыстар (күшті өріс сынақтары деп аталады) жағдайындағы кеңістік-уақыттың бұрмалануын болжағандығын нақтылады.

Конфигурациясы

Микельсон интерферометрі ең кем дегенде M1 және M2 айналарынан және M сәуле бөлушіден тұрады (сонымен қатар дифракциялық тор да қолданылады). 2-суретте S көзі сәуле бөлушіге (осы жағдайда, пластиналы сәуле бөлушіге) M нүктесіндегі M бетіне түсетін жарық шығарады. M жартылай шағылыстыратын, сондықтан жарықтың бір бөлігі B нүктесіне, ал қалғаны A бағытында шағылысады. Екі сәуле де C' нүктесінде қайта қосылып, E нүктесіндегі детекторға (немесе адамның көзінің тор қабығына) келіп түсетін интерференциялық үлгіні құрайды. Егер екі қайтарған сәуле арасында шағын бұрыш болса, онда бейнелеу детекторы 3б-суретте көрсетілгендей синусоидалық жиектік үлгіні тіркейді. Егер қайтарған сәулелердің арасында толық кеңістіктік сәйкестік болса, онда мұндай үлгі пайда болмайды, керісінше, сәуленің жол айырмасына байланысты тұрақты қарқындылық байқалады; мұны іске асыру қиын, сәуле жолдарына өте дәл бақылау қажет. 2-сурет когерентті (лазерлік) көзді пайдалануды көрсетеді. Тар жолақты спектрлік жарық, тіпті ақ жарық та қолданылуы мүмкін, бірақ мағыналы интерференциялық контраст алу үшін жол айырмасы жарық көзінің когерентті ұзындығынан кем болуы керек. Ақ жарық үшін бұл тек микрометрлерге жетеді, төменде талқыланғандай. Жоғалтусыз сәуле бөлуші қолданылса, оптикалық энергия сақталады екенін көрсетуге болады. Интерференциялық үлгідегі әрбір нүктеде детекторға бағытталмаған қуат, көзіне қарай қайтатын сәуледе (суретте көрсетілмеген) болады. 3а және 3b суреттерінде бақылаушы сәуле бөлуші арқылы M1 айнасын тікелей көреді және M2 айнасының M'2 бейнесін көреді. Жиектер бастапқы көздің S'1 және S'2 екі виртуалды бейнесінен келетін жарықтың араласуының нәтижесі ретінде түсіндіріледі. Интерференциялық үлгінің сипаттамалары жарық көзінің табиғатына және айналар мен сәуле бөлушінің нақты бағытына байланысты. 3а суретінде оптикалық элементтер S'1 және S'2 бақылаушымен бір сызықта орналасуы керек, ал нәтижедегі интерференциялық үлгі M1 және M'2 нормальдарына орталанған шеңберлерден (тең еңісті жиектер) тұрады. Егер, 3b суретіндегідей, M1 және M'2 бір-біріне қатысты еңкейтілген болса, интерференциялық жиектер әдетте конус қималарының (гиперболалардың) пішінін алады, бірақ егер M1 және M'2 бір-біріне жақын орналасса, оське жақын жиектер түзу, параллель және тең аралықта болады (тең қалыңдықты жиектер). Егер S нүктелік емес, кеңейтілген көз болса, 3а суретіндегі жиектерді шексіздікке орнатылған телескоппен қарау керек, ал 3b суретіндегі жиектер айналарда локалданады.

Көздің жолақты ені

Ақ жарықтың когеренттік ұзындығы өте кішкентай болғандықтан, оны Микельсон (немесе Мах-Зендер) интерферометрінде қолдану қиын. Тіпті тар спектрлі (немесе "квазимонохроматикалық") спектрлік көзді интерферометрді жарықтандыру үшін пайдаланғанда, хроматикалық дисперсия мәселелеріне ерекше назар қажет. Көздің құрамындағы барлық толқын ұзындықтары үшін екі оптикалық жолдың ұзындығы дерлік тең болуы керек. Бұл талапты егер екі жарық жолы да бірдей дисперсиялы бірдей қалыңдықтағы шыныдан өтетін болса, орындауға болады. 4-суретте, көлденең сәуле сәуле бөлігіштен үш рет, ал тік сәуле бір рет өтеді. Дисперсияны теңестіру үшін, тік сәуленің жолына сәуле бөлігіштің негізімен бірдей компенсациялық пластина енгізілуі мүмкін. Бастапқы сәйкестендіру және интерферометрдің жолдарының жуандықтарын теңестіру үшін ғана квазимонохроматикалық жарық қолданылды. Содан кейін олар ақ (кең спектрлі) жарыққа көшті, себебі ақ жарық интерферометриясын пайдалану арқылы абсолютті фазалық теңдесу нүктесін (2π модулі бойынша емес, фазаны) өлшеуге және екі қолдың ұзындығын теңестіруге болады. Көбірек айтқанда, ақ жарық интерферометрінде кез келген келесі "шекаралық секіру" (бір толқын ұзындығының аралық жол ұзындығының өзгеруі) әрқашан анықталады.

Қолданбалар

Микельсон интерферометрінің конфигурациясы көптеген түрлі қолданыстарда пайдаланылады.

Фурье трансформациясы спектрометрі

5-ші суретте Фурье түрлендіргіш спектрометрдің жұмыс істеу принципі көрсетілген, ол негізінен бір айнасы жылжымалы Микельсон интерферометрі болып табылады. (Нақты Фурье түрлендіргіш спектрометрі дәстүрлі Микельсон интерферометрінің жазық айналарын бұрыштық кубтық рефлекторлармен алмастыруы мүмкін, бірақ түсініктілік үшін суретте бұл көрсетілмеген.) Интерферограмма жылжымалы айнаның көптеген дискретті орналасуларында сигналды өлшеу арқылы жасалады. Фурье түрлендіргіші интерферограмманы нақты спектрге түрлендіреді. Фурье түрлендіргіш спектрометрлері белгілі жағдайларда дисперстік (яғни, дифракциялық торлы және призмалы) спектрометрлерге қарағанда маңызды артықшылықтар ұсынуы мүмкін. (1) Микельсон интерферометрінің детекторы барлық толқын ұзындықтарын бір уақытта өлшеудің барлық кезеңінде бақылайды. Құрылғы шулы болғанда, мысалы, инфрақызыл толқын ұзындықтарында, бұл сигнал мен шу арақатынасын жақсартады, әрі тек бір детектор элементін пайдалануға мүмкіндік береді; (2) интерферометрге дифракциялық торлы немесе призмалы спектрометрлерге тән шектеулі апертура қажет емес, олар жоғары спектрлік ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін кіретін жарықты тар саңылау арқылы өткізуді талап етеді. Бұл кіретін жарық бір ғана кеңістіктік режимде болмағанда тиімді. Толық ақпарат алу үшін Фелгеттің артықшылығына қараңыз.

Твайман Грин интерферометрі

Твайман-Грин интерферометрі – 1916 жылы Твайман мен Грин ойлап тапқан және патент алған, кішкентай оптикалық компоненттерді сынауға қолданылатын Микельсон интерферометрінің бір түрі. Оны Микельсон конфигурациясынан ерекшелейтін негізгі ерекшеліктері – монохроматикалық нүктелік жарық көзі мен коллиматордың қолданылуы. Микельсон (1918) үлкен оптикалық компоненттерді сынау үшін Твайман-Грин конфигурациясының қолайсыз екенін сынап, қолда бар жарық көздерінің когерентті ұзындығы шектеулі болғанын айтты. Микельсон геометриялық шектеулердің, когерентті ұзындықтың шектеулі болуына байланысты сынақ айнасымен бірдей өлшемдегі эталондық айнаны қолдану қажеттігін, бұл Твайман-Грин интерферометрін көптеген жағдайларда тиімсіз ететінін көрсетті. Бірнеше он жылдан кейін лазерлік жарық көздерінің пайда болуы Микельсоннің қарсылығына жауап берді. Бір қолда фигуралы эталондық айнаны пайдалану Твайман-Грин интерферометріне линзалар немесе телескоп айналары сияқты әртүрлі оптикалық компоненттерді сынауға мүмкіндік береді. 6-суретте линзаны сынау үшін орнатылған Твайман-Грин интерферометрі көрсетілген. Монохроматикалық жарықтың нүктелік көзі дивергентті линза арқылы кеңейтіледі (суретте көрсетілмеген), содан кейін параллель сәулеге коллайды. Дөңгелек сферилік айна сыналатын линзаның фокусына сәйкес орналастырылған. Шығатын сәулелерді талдау үшін бейнелеу жүйесі тіркейді.

Лазерлік тең емес жол интерферометрі

"LUPI" – когерентті лазерлік жарық көзін пайдаланатын Тваймен-Грин интерферометрі. Лазердің жоғары когеренттік ұзындығы сынақ және эталондық қолдардағы жолдардың тең емес болуын қамтамасыз етеді және ірі оптикалық компоненттерді сынауда Тваймен-Грин конфигурациясын тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Осыған ұқсас схеманы Таджаммал М. өзінің докторлық диссертациясында (Манчестер университеті, Ұлыбритания, 1995) LDA жүйесінің екі қолын теңгерлеу үшін қолданған. Бұл жүйе талшықты-оптикалық бағыттаушы жалғауышты пайдаланған.

Гравитациялық толқындарды анықтау

Микельсон интерферометриясы – гравитациялық толқындарды тікелей анықтаудың басты әдісі. Бұл кеңістіктегі өте шағын өзгерістерді анықтауды қамтиды, олар күшті гравитациялық толқынның өтуіне байланысты интерферометрдің екі ұзын иығына әр түрлі әсер етеді. 2015 жылы гравитациялық толқындар алғаш рет екі Микельсон интерферометрі арқылы анықталды, олардың әрқайсысы 4 км-ге дейін созылған және Лазерлік интерферометр гравитациялық толқын обсерваториясын құрайды. Бұл Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы болжаған гравитациялық толқындардың алғашқы тәжірибелік растауы болды. Еуропадағы Virgo интерферометрі қосылғаннан кейін, үш детектор арасындағы шағын уақыт айырмашылықтарын пайдалана отырып, гравитациялық толқындардың қайдан келіп жатқанын анықтау мүмкін болды. 2020 жылы Үндістан гравитациялық толқындарды анықтау үшін төртінші Микельсон интерферометрін салуда болды.

Түрлі қолданулар

Сурет 7 Микельсон интерферометрінің Күн бетінің допплерграммасын жасау үшін реттелетін тар жолақты сүзгі ретінде қолданылуын көрсетеді. Реттелетін тар жолақты сүзгі ретінде қолданылғанда, Микельсон интерферометрлері Фабри-Перо интерферометрлері немесе Лио сүзгілері сияқты бәсекелес технологиялармен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары мен кемшіліктеріне ие. Микельсон интерферометрлері белгілі бір толқын ұзындығы үшін ең үлкен көру бұрышына ие және оларды пайдалану салыстырмалы түрде оңай, себебі реттеу Фабри-Перо жүйесінде қолданылатын пьезоэлектрлік кристалдардың немесе литий ниобаты оптикалық модуляторларының жоғары кернеумен басқарылуының орнына толқын пластиналарының механикалық айналуы арқылы жүзеге асырылады. Бирефракциялық элементтерді пайдаланатын Лио сүзгілерімен салыстырғанда, Микельсон интерферометрлерінің температураға сезімталдығы салыстырмалы түрде төмен. Алайда, Микельсон интерферометрлерінің толқын ұзындығы диапазоны шектеулі және өткізу қабілетін шектейтін алдын ала сүзгілерді пайдалануды қажет етеді. Микельсон интерферометрлерінің сенімділігі оларды ғарыш қолданыстары үшін қолайлы етеді, ал Фабри-Перо интерферометрлерінің кең толқын ұзындығы диапазоны мен жалпы қарапайымдылығы оларды жердегі жүйелерде пайдалануға ыңғайлы жасайды. Микельсон интерферометрінің тағы бір қолданысы – оптикалық когерентті томография (ОКТ), ішкі тіндердің микроқұрылымдарын томографиялық бейнелеу үшін төмен когерентті интерферометрияны қолданатын медициналық бейнелеу әдісі. 8-суретте көрсетілгендей, әдеттегі ОКТ жүйесінің негізгі бөлігі – Микельсон интерферометрі. Интерферометрдің бір тармағы тіндік үлгіге бағытталады және үлгіні X және Y координаталары бойынша тікбұрышты растр бойынша сканерлейді. Екінші интерферометр тармағы эталондық айнадан шағылысады. Тіндік үлгіден шағылған жарық эталондық айнадан шағылған жарықпен біріктіріледі. Жарық көзінің төмен когеренттілігіне байланысты интерферометриялық сигнал тек үлгінің шектеулі тереңдігінде ғана байқалады. Сондықтан X және Y координаталары бойынша сканерлеу үлгінің бір жұқа оптикалық тілімін жазады. Бірнеше сканерлеулерді орындау және әр сканерлеу арасында эталондық айнаны жылжыту арқылы тіндік үлгінің толық үш өлшемді бейнесін қайта құруға болады. Соңғы жетістіктер когерентті интерферометрияның нанометрлік фазалық ақпаратын төмен когерентті интерферометрияның қашықтық өлшеу мүмкіндігімен біріктіруге бағытталған. Басқа қолданыстарға DWDM желілерінде фазалық модуляцияны амплитудалық модуляцияға айналдыратын кешіктіру желісі интерферометрлері, жоғары жиілікті тізбектерді сипаттау және төмен құнмен THz қуатын жасау кіреді.

Кезекті фазалы интерферометр

Бұл Микельсон интерферометрі, онда бір қолдағы айна Gires–Tournois эталонымен алмастырылған. Gires–Tournois эталонынан жоғары шашыраған толқын, екінші айнадан шағылысқан бастапқы толқынмен араласады. Gires–Tournois эталонынан болатын фазалық өзгеріс толқын ұзындығына қатысты дерлік сатылы функция болғандықтан, нәтижедегі интерферометр ерекше қасиеттерге ие. Ол талшықты-оптикалық байланыста оптикалық араластырғыш ретінде қолданылады. Микельсон интерферометріндегі екі айна да Gires–Tournois эталондарымен алмастырылуы мүмкін. Фазаның толқын ұзындығына қатысты сатылы байланысы осылайша күшейе түседі, және оны асимметриялық оптикалық араластырғыш құру үшін пайдалануға болады.