Толқындардың интерференциясы арқылы өлшеу әдісі

Кіріспе

Толқындардың кедергісін пайдаланатын өлшеу әдісі

Интерферометрия – үстінен келген толқындардың кедергісін пайдаланып ақпарат алуға мүмкіндік беретін техника. Интерферометрия көбінесе электромагниттік толқындарды қолданады және астрономия, талшықты оптика, инженерлік метрология, оптикалық метрология, океанография, сейсмология, спектроскопия (және химиядағы қолданылуы), кванттық механика, ядролық және бөлшектер физикасы, плазма физикасы, биомолекулалық өзара әрекеттесулер, беткей профильдеу, микрофлюидика, механикалық кернеу/деформацияны өлшеу, жылдамдық өлшегіштер, оптометрия және голограмма жасау салаларында маңызды зерттеу әдісі болып табылады. Интерферометрлер – кедергіден ақпаратты шығарып алатын құрылғылар. Олар ғылым мен өнеркәсіпте микроскопиялық жылжуларды, сыну көрсеткішінің өзгеруін және беткі бұзылыстарды өлшеу үшін кеңінен қолданылады. Көптеген интерферометрлерде бір көзден шыққан жарық екі сәулеге бөлініп, әртүрлі оптикалық жолдармен өтеді, содан кейін олар кедергі жасау үшін қайта біріктіріледі; кейбір жағдайларда екі байланыспаған көздерді де кедергіге түсіруге болады. Нәтижесінде пайда болатын кедергі жиектері оптикалық жол ұзындығының айырмашылығы туралы ақпарат береді. Аналитикалық ғылымда интерферометрлер ұзындықты және оптикалық компоненттердің пішінін нанометрлік дәлдікпен өлшеу үшін қолданылады; олар – қазіргі кездегі ең жоғары дәлдікпен ұзындықты өлшейтін құралдар. Фурье түрлендіру спектроскопиясында олар зат немесе қоспаға тән сіңіру немесе шығару ерекшеліктерін қамтитын жарықты талдау үшін қолданылады. Астрономиялық интерферометр екі немесе одан көп жеке телескоптардан тұрады, олар өз сигналдарын біріктіріп, диаметрі оның жеке элементтері арасындағы ең үлкен арақашықтыққа тең телескоптың ажыратымдылығына тең мүмкіндік береді.

Негізгі қағидалар

Интерферометрия толқындарды біріктіру үшін суперпозиция принципін пайдаланады, осылайша олардың бірігуінің нәтижесінде толқындардың бастапқы күйін анықтауға мүмкіндік беретін маңызды қасиеттер пайда болады. Бұл қасиет бірдей жиілікке ие екі толқын біріккен кезде пайда болады, нәтижедегі интенсивтілік үлгісі екі толқын арасындағы фазалық айырмашылықпен анықталады. Бір-бірімен фазадағы толқындар конструктивті интерференцияға ұшырайды, ал фазасы үйлеспейтін толқындар деструктивті интерференцияға ұшырайды. Фазалық қатынасы толық емес толқындар аралық интенсивтілік үлгісін көрсетеді, оны олардың салыстырмалы фазалық айырмасын анықтау үшін қолдануға болады. Көптеген интерферометрлер жарық немесе басқа электромагниттік толқындарды қолданады. Лекцияға дайындық кезінде Янг екі саңылаулы эксперимент жүргізіп, интерференциялық жіптерді көрсетті. Оның толқындардың интерференциясы туралы түсіндірмесі сол кездегі көптеген ғалымдар тарапынан қабылданбады, себебі Исаак Ньютонның бір ғасыр бұрын ұсынған жарық туралы корпускулалық теориясы үстемдік танытқан. Француз инженері Августин Жан Френель Янгтың нәтижелерінен хабарсыз, жарық пен интерференцияның толқындық теориясы бойынша жұмыс істей бастады және Франсуа Арагомен танысты. 1816-1818 жылдары Френель мен Араго Париж обсерваториясында интерференциялық эксперименттер жүргізді. Осы кезеңде Араго алғашқы интерферометрді жасап, оны құрғақ ауаға қарағанда ылғалды ауаның сындыру көрсеткішін өлшеу үшін пайдаланды, бұл жұлдыздардың орналасуын астрономиялық бақылаулар арқылы анықтауда қиындықтар тудыруы мүмкін еді. Френельдің жарық толқыны теориясының сәттілігі 1819 жылғы марапатталған еңбегінде көрсетілді, онда дифракциялық үлгілер болжанып, өлшенді. Араго интерферометрі кейін 1850 жылы Леон Фуко ауадағы жарық жылдамдығын суға қатысты өлшеу үшін, ал 1851 жылы Гипполит Физо қозғалатын судағы жарық жылдамдығына Френельдің тартылысының әсерін өлшеу үшін қолданды. Жюль Жамин 1856 жылы бірінші бір сәулелі интерферометрді (Араго интерферометрі сияқты бөлінуіш саңылауды қажет етпейтін) жасады. 1881 жылы американдық физик Альберт А. Михельсон Герман фон Гельмгольцті Берлинде зерттеген кезде, Жердің қозғалысының жарық жылдамдығына тигізетін әсерін анықтау үшін оның атымен аталатын Михельсон интерферометрін ойлап тапты. Михельсонның Берлиннің сыртындағы Потсдам обсерваториясының жертөлесінде жүргізген теріс нәтижелері (Берлиннің орталығындағы аттардың қозғалысы тым көп діріл тудырды) және кейінірек Эдвард В. Морлимен бірге Кливлендтегі Кейс колледжінде алған дәл теріс нәтижелері жарық эфирі дағдарысының күшеюіне себеп болды. Эйнштейн Физоның Араго интерферометрін пайдаланып қозғалатын судағы жарық жылдамдығын өлшеуінің, оның жылдамдықтардың релятивистік қосылу теориясына шабыттандырғанын айтты.

Interferometry makes use of the principle of superposition to combine waves in a way that will cause the result of their combination to have some meaningful property that is diagnostic of the original state of the waves. This works because when two waves with the same frequency combine, the resulting intensity pattern is determined by the phase difference between the two waves—waves that are in phase will undergo constructive interference while waves that are out of phase will undergo destructive interference. Waves which are not completely in phase nor completely out of phase will have an intermediate intensity pattern, which can be used to determine their relative phase difference. Most interferometers use light or some other form of electromagnetic wave. In preparation for the lecture, Young performed a double aperture experiment that demonstrated interference fringes. His interpretation in terms of the interference of waves was rejected by most scientists at the time because of the dominance of Isaac Newton's corpuscular theory of light proposed a century before. The French engineer Augustin Jean Fresnel, unaware of Young's results, began working on a wave theory of light and interference and was introduced to Francois Arago. Between 1816 and 1818, Fresnel and Arago performed interference experiments at the Paris Observatory. During this time, Arago designed and built the first interferometer, using it to measure the refractive index of moist air relative to dry air, which posed a potential problem for astronomical observations of star positions. The success of Fresnel's wave theory of light was established in his prize winning memoire of 1819 that predicted and measured diffraction patterns. The Arago interferometer was later employed in 1850 by Leon Foucault to measure the speed of light in air relative to water, and it was used again in 1851 by Hippolyte Fizeau to measure the effect of Fresnel drag on the speed of light in moving water. Jules Jamin developed the first single beam interferometer (not requiring a splitting aperture as the Arago interferometer did) in 1856. In 1881, the American physicist Albert A. Michelson, while visiting Hermann von Helmholtz in Berlin, invented the interferometer that is named after him, the Michelson Interferometer, to search for effects of the motion of the Earth on the speed of light. Michelson's null results performed in the basement of the Potsdam Observatory outside of Berlin (the horse traffic in the center of Berlin created too many vibrations), and his later more accurate null results observed with Edward W. Morley at Case College in Cleveland, Ohio, contributed to the growing crisis of the luminiferous ether. Einstein stated that it was Fizeau's measurement of the speed of light in moving water using the Arago interferometer that inspired his theory of the relativistic addition of velocities.

Гомодинозды гетеродинозды анықтау

Гомодиндік анықтауда кедергі бір толқын ұзындығында (немесе тасымалдаушы жиілігінде) екі сәуле арасында пайда болады. Екі сәуле арасындағы фазалық айырмашылық детектордағы жарықтың қарқындылығының өзгеруіне себеп болады. Осы екі сәулені араластыру нәтижесінде пайда болған жарықтың қарқындылығы өлшенеді немесе интерференциялық жолақтың суреті қарастырылады немесе тіркеледі. Оптикалық гетеродиндік анықтау – гетеродиндік техниканың жоғары (көрінетін) жиіліктерге кеңейтілген түрі. Оптикалық гетеродиндік интерферометрия көбінесе бір нүктеде жүргізілсе де, кең өрісте орындауға да болады.

Екі жолды ортақ жолға салыстыру

Екі жолды интерферометр – эталондық және сынамалық сәулелер әртүрлі бағыттармен жүретін интерферометр. Мысалдарға Микельсон интерферометрі, Твайман-Грин интерферометрі және Мах-Зендер интерферометрі жатады. Сыналып жатқан үлгімен әрекеттесу нәтижесінде өзгергеннен кейін, сынамалық сәуле эталондық сәулемен қайта біріктіріліп, интерференциялық сурет құрайды, одан кейін оны талдауға болады.

Толқын маңының бөлінуімен инферометрлер

Толқын фронтын бөлуші интерферометр бір нүктеден немесе тар саңылаудан шығатын жарық толқын фронтын бөледі (яғни кеңістікте когерентті жарық) және толқын фронтының екі бөлігі әртүрлі жолдармен өтуіне рұқсат бергеннен кейін оларды қайта біріктіреді. 5-суретте Янгтың интерференциялық тәжірибесі және Ллойдтың айнасы көрсетілген. Толқын фронтын бөлуші интерферометрдің басқа мысалдары: Френель бипризмасы, Билет Би линзасы, дифракциялық торлы Микельсон интерферометрі және Рэйли интерферометрі. 1803 жылы Янгтың интерференциялық тәжірибесі жарық толқындық теориясының қабылдануына маңызды үлес қосты. Егер Янгтың тәжірибесінде ақ жарық қолданылса, нәтижесінде екі саңылаудан бірдей қашықтықтағы конструктивті интерференцияның ақ орталық жолағы пайда болады, ол түсті жиектердің симметриялық үлгісімен қоршалған. Ұдайы электромагниттік сәулеленуден басқа, Янгтың тәжірибесі жеке фотондармен, электрондармен және электронды микроскоппен көруге жеткілікті үлкендіктегі букибол молекулаларымен де жүргізілді. Ллойдтың айнасы жарық көзінен тікелей келетін жарықты (көк сызықтар) және айнадан шағылысқан көздің суретінен (қызыл сызықтар) келетін жарықты біріктіру арқылы интерференциялық жиектерді жасайды. Нәтижесінде асимметриялық жиектер үлгісі пайда болады. Айнаға ең жақын, тең қашықтықтағы жолақ жарық емес, қараңғы болады. 1834 жылы Хамфри Ллойд бұл эффектіні шағылысқан сәуленің фазасының инверсияланғанының дәлелі деп түсіндірді.

Амплитуда бөлгіш инфрометрлер

Амплитудалық бөлу интерферометрі жарым-жартылай рефлекторды пайдаланып, түскен толқынның амплитудасын жеке сәулелерге бөледі, олар бөлек орналастырылып, қайта біріктіріледі. Физо интерферометрі оптикалық жазықтықты сынау үшін құрастырылған күйінде көрсетілген. Сыналатын жазықтықтың үстіне, тар аралықпен бөлінетін, дәл өңделген эталондық жазықтық орналастырылады. Эталондық жазықтық сәл қисайтылып (қисайтудың тек бір градусының үлесі ғана жеткілікті) жазықтықтың артқы бетінде интерференциялық суреттердің пайда болуын болдырмау үшін жасалады. Сынау және эталондық жазықтықтарды бөлу екі жазықтықты бір-біріне қатысты бұруға мүмкіндік береді. Бұруды реттеу арқылы, интерференциялық сурет үлгісіне бақыланатын фазалық градиент қосылады, соның нәтижесінде интерференциялық суреттердің арақашықтығы мен бағытын басқаруға болады, осылайша күрделі контурлық сызықтардың араласуынан гөрі, оңай түсіндірілетін, дерлік параллель интерференциялық суреттер сериясын алуға болады. Дегенмен, жазықтықтарды бөлу үшін жарық сәулесі коллимацияланған болуы керек. 6-суретте екі жазықтықты жарықтандыратын монохроматикалық жарықтың коллимацияланған сәулесі және интерференциялық суреттерді ось бойымен бақылауға мүмкіндік беретін сәуле бөлігіш көрсетілген. Мах-Цендер интерферометрі Микельсон интерферометрінен гөрі әмбебап құрал болып табылады. Жарық жолдарының әрқайсысы бір рет өтіп, интерференциялық суреттерді кез келген қажетті жазықтықта орналастыруға болады. Фабри-Перо интерферометрінің негізі – бір-біріне қарама-қарсы күмірленген беттерімен бірнеше миллиметрден сантиметрге дейін арақашықтықта орналасқан жартылай күмірленген шыныдан жасалған екі оптикалық жазықтық. (Балама ретінде, Фабри-Перо эталоны екі параллель шағылыстыратын беті бар мөлдір тақтадан тұрады.) 6-суретте төмен айқындық кескіні 0,04 (яғни күмірленбеген беттер) шағылыстыру коэффициентіне, ал жоғары айқындық кескіні 0,95 шағылыстыру коэффициентіне сәйкес келеді. 6-сурет Физо, Мах-Цендер және Фабри-Перо интерферометрлерін бейнелейді. Амплитудалық бөлу интерферометрлерінің басқа мысалдары: Микельсон, Твайман-Грин, Лазерлік теңсіз жол және Линник интерферометрлері.

An amplitude splitting interferometer uses a partial reflector to divide the amplitude of the incident wave into separate beams which are separated and recombined. The Fizeau interferometer is shown as it might be set up to test an optical flat. A precisely figured reference flat is placed on top of the flat being tested, separated by narrow spacers. The reference flat is slightly beveled (only a fraction of a degree of beveling is necessary) to prevent the rear surface of the flat from producing interference fringes. Separating the test and reference flats allows the two flats to be tilted with respect to each other. By adjusting the tilt, which adds a controlled phase gradient to the fringe pattern, one can control the spacing and direction of the fringes, so that one may obtain an easily interpreted series of nearly parallel fringes rather than a complex swirl of contour lines. Separating the plates, however, necessitates that the illuminating light be collimated. Fig 6 shows a collimated beam of monochromatic light illuminating the two flats and a beam splitter allowing the fringes to be viewed on axis. The Mach–Zehnder interferometer is a more versatile instrument than the Michelson interferometer. Each of the well separated light paths is traversed only once, and the fringes can be adjusted so that they are localized in any desired plane. The heart of the Fabry–Pérot interferometer is a pair of partially silvered glass optical flats spaced several millimeters to centimeters apart with the silvered surfaces facing each other. (Alternatively, a Fabry–Pérot etalon uses a transparent plate with two parallel reflecting surfaces.) In Fig. 6, the low finesse image corresponds to a reflectivity of 0.04 (i. e., unsilvered surfaces) versus a reflectivity of 0.95 for the high finesse image. Fig. 6 illustrates the Fizeau, Mach–Zehnder, and Fabry–Pérot interferometers. Other examples of amplitude splitting interferometer include the Michelson, Twyman–Green, Laser Unequal Path, and Linnik interferometer.

Микельсон-Морли

Микельсон және Морли (1887) және жарық эфирінің қасиеттерін өлшеуге тырысқан интерферометриялық әдістерді қолданған басқа да ерте экспериментаторлар, бастапқыда жабдықтарын орнату үшін ғана монохроматикалық жарықты пайдаланды, бірақ нақты өлшеулерді жасағанда әрқашан ақ жарыққа көшті. Бұл себебі өлшеулер көзбен тікелей бақыланып жазылған. Монохроматикалық жарық біртекті интерференциялық суреттің пайда болуына әкелер еді. Қоршаған ортаның температурасын қазіргідей дәл бақылау мүмкіндіктері болмағандықтан, экспериментаторлар интерферометрді тіпті жертөледе орнатса да, интерференциялық суреттің үнемі өзгеріп тұруымен күресті. Интерференциялық суреттер аттың өтуінен, алыстағы дауылдардан және басқа да дірілдерден уақыт-уақыт жоғалып кететін болғандықтан, бақылаушы үшін сурет қайта пайда болғанда "жоғалып кетуі" мүмкін еді. Ақ жарықтың пайдасы – оның ерекше түсті интерференциялық суретін жасауы, аппаратты реттеудегі қиындықтардан әлдеқайда маңызды болды, себебі ақ жарықтың когеренттілік ұзындығы төмен еді. Бұл "2π" екіұштылығын шешу үшін ақ жарықты қолданудың ерте мысалы болды.

Физика және астрономия

Физикада 19 ғасырдың соңындағы ең маңызды эксперименттердің бірі – Микельсон мен Морлидің атақты «сәтсіз эксперименті» болды, ол арнайы салыстырмалылық теориясының дәлелін берді. Микельсон-Морли экспериментінің соңғы қайталанулары қиылысқан криогендік оптикалық резонаторлардың соққы жиіліктерінің гетеродиндік өлшеулерін жүргізеді. 7-суретте Мюллер және басқалар жасаған резонатор эксперименті көрсетілген, 2003 жылғы. Екі лазердің жиілігін басқаруға арналған кристалды сапфирден жасалған екі оптикалық резонатор гелий криостаты ішінде тік бұрышта орнатылған. Жиілікті салыстыру құрылғысы екі резонатордың жиынтық шығыстарының соққы жиілігін өлшеді. 2009 жылғы мәліметтер бойынша, резонатор эксперименттерінде жарық жылдамдығының анизотропиясын жоққа шығаруға қол жеткізген дәлдік 10−17 деңгейінде болды. 7-сурет. Микельсон-Морли эксперименті криогендік оптикалық резонаторлармен. 8-сурет. Фурье трансформациясының спектроскопиясы. 9-сурет. LASCO C1 коронографымен түсірілген Күн коронасының суреті. Микельсон интерферометрлері көйлендіруге болатын тар жолақты оптикалық сүзгілерде және Фурье трансформациясы спектрометрлерінің негізгі аппараттық компоненті ретінде қолданылады. Көйлендіруге болатын тар жолақты сүзгі ретінде пайдаланылғанда, Микельсон интерферометрлері Фабри-Перо интерферометрлері немесе Льот сүзгілері сияқты бәсекелес технологиялармен салыстырғанда бірқатар артықшылықтар мен кемшіліктерге ие. Микельсон интерферометрлері белгілі бір толқын ұзындығы үшін ең үлкен көрініс өрісіне ие және жұмыс істеуде салыстырмалы түрде қарапайым, өйткені көйлендіру Фабри-Перо жүйесінде қолданылатын пиезоэлектрлік кристалдардың немесе литий ниобаты оптикалық модуляторларының жоғары кернеуді басқаруы арқылы емес, толқын пластиналарының механикалық айналуы арқылы жүзеге асырылады. Бірікті элементтерді пайдаланатын Lyot сүзгілерімен салыстырғанда, Микельсон интерферометрлерінің температураға сезімталдығы салыстырмалы түрде төмен. Теріс жағында, Микельсон интерферометрлерінің толқын ұзындығы салыстырмалы түрде шектеулі және өткізгіштікті шектейтін алдын ала сүзгілерді қолдануды қажет етеді. 8-суретте Фурье трансформациясы спектрометрының жұмысы көрсетілген, ол негізінен бір айнасы жылжымалы Микельсон интерферометрі. (Практикалық Фурье трансформациясы спектрометрі дәстүрлі Микельсон интерферометрінің жалпақ айналарын бұрыштық куб рефлекторларымен алмастыратын болады, бірақ қарапайымдылық үшін, суретте бұл көрсетілмеген.) Интерферограмма қозғалатын айнаның көптеген дискретті орындарында сигнал өлшеу арқылы жасалады. Фурье трансформациясы интерферограмманы нақты спектрге айналдырады. 9-суретте күн коронасының Фабри-Перо интерферометрі арқылы түсірілген Доплер суреті көрсетілген. Сурет – сызықтың доплер ауысуының түсті кодталған суреті, ол спутник камерасына қарай немесе одан алыстаған короналық плазма жылдамдығымен байланысты болуы мүмкін. Фабри-Пероның жұқа пленкалы эталондары бейнелеу үшін бір ғана спектрлік сызықты таңдауға қабілетті тар жолақты сүзгілерде қолданылады; мысалы, H альфа сызығы немесе Күннің немесе жұлдыздардың Ca K сызығы. 10-суретте Күннің 195 ангстромдағы (19,5 нм) экстремалды ультрафиолетті бейнелеу телескопының (EIT) суреті көрсетілген, ол көп иондалған темір атомдарының спектрлік сызығына сәйкес келеді. EIT көп қабатты қапталған рефлекторлық айналарды қолданды, олар жеңіл «аралықтағыш» элементімен (мысалы, кремний) және ауыр «таратушы» элементімен (мысалы, молибден) қапталған. Әрбір айнаға әр түрінің шамамен 100 қабаты орналастырылды, олардың қалыңдығы шамамен 10 нм. Қабаттың қалыңдығы қатаң түрде бақыланды, сондықтан қажетті толқын ұзындығында әрбір қабаттан шағылған фотондар конструктивті түрде араласты. Лазерлік интерферометрлік гравитациялық толқын обсерваториясы (LIGO) гравитациялық толқындарды анықтау үшін екі 4 км Микельсон-Фабри-Перо интерферометрін қолданады. Бұл қолданбада Фабри-Перо қуысы фотондарды айналар арасында жоғары-төмен секіріп бара жатқанда, шамамен бір миллисекундқа сақтап қалуға қолданылады. Бұл гравитациялық толқынның жарықпен әрекеттесу уақытын арттырады, бұл төменгі жиіліктерде жақсы сезімталдықты тудырады. Кіші қуыстар, әдетте режимді тазалағыш деп аталады, негізгі лазердің кеңістіктік сүзгілеуі және жиілікті тұрақтандыру үшін қолданылады. Гравитациялық толқындар алғаш рет 2015 жылдың 14 қыркүйегінде байқалды. Мах-Цендер интерферометрінің салыстырмалы түрде үлкен және еркін қол жетімді жұмыс кеңістігі, және штрихтарды орналастырудағы икемділігі оны жел тоннелінде ағынды визуализациялау үшін, және жалпы ағын визуализациялау зерттеулері үшін таңдаулы интерферометр етіп белгіледі. Ол әдетте аэродинамика, плазма физикасы және жылу алмасу салаларында газдардың қысымын, тығыздығын және температурасының өзгеруін өлшеу үшін қолданылады. Астрономиялық интерферометр апертура синтезі әдісін қолдана отырып жоғары ажыратымдылықты байқауларды жүзеге асырады, салыстырмалы түрде кішкентай телескоптар тобынан сигналдарды біріктіреді, емес, бір өте қымбат монолитті телескоптан. Астрономиялық оптикалық интерферометрия радио телескоптық интерферометриямен бөлісілмейтін бірқатар техникалық мәселелерді шешуге тура келді. Жарықтың қысқа толқын ұзындығы құрылымның жоғары дәлдігі мен тұрақтылығын талап етеді. Мысалы, 100 м базалық сызықта 0,5 мкм тұрақтылығы 1 миллиарксекундық кеңістіктік ажыратымдылықты талап етеді. Оптикалық интерферометрлік өлшемдер жоғары сезімталдық, төмен шу деңгейіне ие детекторларды қажет етеді, ол 1990-жылдардың соңына дейін қол жетімді болған жоқ. Астрономиялық «көру», жұлдыздардың жылтылдауына себеп болатын турбуленттілік, келіп түсетін жарықта жылдам, кездейсоқ фазалық өзгерістерді тудырады, бұл деректерді жинау жылдамдығының турбуленттіліктің жылдамдығынан жоғары болуын талап етеді. Бұл техникалық қиындықтарға қарамастан, қазіргі уақытта үш ірі құрылыс қолданыста болып, миллионнан бір бөлігіне дейінгі ажыратымдылықты ұсынады. Бұл байланыстырылған бейне Beta Lyrae жүйесінен құрастырылған фильмді көрсетеді, ол шамамен 960 жарық жылы (290 парсек) қашықтықтағы Lyra шоқжұлдызындағы екі жұлдыздан тұратын жүйе, CHARA массивімен MIRC құралымен байқалған. Жарқыраған компонент – негізгі жұлдыз, немесе массаның доноры. Әлсіз компонент – екінші жұлдыздың айналасындағы қалың дискі, немесе массаның алушысы. Екі компонент 1 миллиарксекундқа бөлінген. Массаның доноры мен массаның алушысының толқулары анық көрінеді. Материяның толқындық сипатын интерферометрлерді құру үшін пайдалануға болады. Материялық интерферометрлердің алғашқы мысалдары электрондық интерферометрлер болды, содан кейін нейтрондық интерферометрлер пайда болды. 1990 жылдардың басында алғашқы атомдық интерферометрлер көрсетілді, содан кейін молекулаларды қолданатын интерферометрлер пайда болды. Электрондық голография – бұл объектінің электрондық интерференциялық суретін фотографиялық түрде жазатын бейнелеу әдісі, содан кейін ол бастапқы объектінің үлкейтілген суретін алу үшін қайта құрастырылады. Бұл әдіс электрондық микроскопияда дәстүрлі бейнелеу әдістерімен мүмкін емес жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін әзірленді. Дәстүрлі электрондық микроскопияның ажыратымдылығы электрондық толқын ұзындығымен емес, электрондық линзалардың үлкен аберрацияларымен шектеледі. Нейтрон интерферометриясы Ахаронов-Бом эффектін зерттеу үшін, элементар бөлшекке әсер ететін гравитацияның әсерін зерттеу үшін және Паулидің өзара қатынасу принципінің негізінде жатқан фермиондардың ерекше мінез-құлқын көрсету үшін қолданылды: Макроскопиялық объектілерден айырмашылығы, фермиондар кез келген осьтің айналасында 360° бұрылғанда бастапқы күйіне қайта оралмайды, бірақ толқындық функциясында минус белгісі пайда болады. Басқаша айтқанда, фермион бастапқы күйіне оралу үшін 720° бұрылуы керек. Атомдық интерферометрия техникалары жалпы салыстырмалылықты зерттеуге арналған зертханалық масштабтағы сынақтарды жүргізуге жеткілікті дәлдікке жетеді. Интерферометрлер атмосфералық физикада атмосфераны қашықтықтан зерттеу арқылы іздік газдардың жоғары дәлдікті өлшеулері үшін қолданылады. Іздік газдардың сіңіру немесе шығарылу ерекшеліктерін пайдаланатын интерферометрлердің бірнеше мысалдары бар. Типтік қолданылуы...

In physics, one of the most important experiments of the late 19th century was the famous "failed experiment" of Michelson and Morley which provided evidence for special relativity. Recent repetitions of the Michelson–Morley experiment perform heterodyne measurements of beat frequencies of crossed cryogenic optical resonators. Fig 7 illustrates a resonator experiment performed by Müller et al. in 2003. Two optical resonators constructed from crystalline sapphire, controlling the frequencies of two lasers, were set at right angles within a helium cryostat. A frequency comparator measured the beat frequency of the combined outputs of the two resonators. as of 2009, the precision by which anisotropy of the speed of light can be excluded in resonator experiments is at the 10−17 level. Figure 7. Michelson–Morley experiment with cryogenic optical resonatorsFigure 8. Fourier transform spectroscopyFigure 9. A picture of the solar corona taken with the LASCO C1 coronagraph

Michelson interferometers are used in tunable narrow band optical filters and as the core hardware component of Fourier transform spectrometers. When used as a tunable narrow band filter, Michelson interferometers exhibit a number of advantages and disadvantages when compared with competing technologies such as Fabry–Pérot interferometers or Lyot filters. Michelson interferometers have the largest field of view for a specified wavelength, and are relatively simple in operation, since tuning is via mechanical rotation of waveplates rather than via high voltage control of piezoelectric crystals or lithium niobate optical modulators as used in a Fabry–Pérot system. Compared with Lyot filters, which use birefringent elements, Michelson interferometers have a relatively low temperature sensitivity. On the negative side, Michelson interferometers have a relatively restricted wavelength range and require use of prefilters which restrict transmittance. Fig. 8 illustrates the operation of a Fourier transform spectrometer, which is essentially a Michelson interferometer with one mirror movable. (A practical Fourier transform spectrometer would substitute corner cube reflectors for the flat mirrors of the conventional Michelson interferometer, but for simplicity, the illustration does not show this.) An interferogram is generated by making measurements of the signal at many discrete positions of the moving mirror. A Fourier transform converts the interferogram into an actual spectrum. Fig. 9 shows a doppler image of the solar corona made using a tunable Fabry Pérot interferometer to recover scans of the solar corona at a number of wavelengths near the FeXIV green line. The picture is a color coded image of the doppler shift of the line, which may be associated with the coronal plasma velocity towards or away from the satellite camera. Fabry–Pérot thin film etalons are used in narrow bandpass filters capable of selecting a single spectral line for imaging; for example, the H alpha line or the Ca K line of the Sun or stars. Fig. 10 shows an Extreme ultraviolet Imaging Telescope (EIT) image of the Sun at 195 Ångströms (19.5 nm), corresponding to a spectral line of multiply ionized iron atoms. EIT used multilayer coated reflective mirrors that were coated with alternate layers of a light "spacer" element (such as silicon), and a heavy "scatterer" element (such as molybdenum). Approximately 100 layers of each type were placed on each mirror, with a thickness of around 10 nm each. The layer thicknesses were tightly controlled so that at the desired wavelength, reflected photons from each layer interfered constructively. The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) uses two 4 km Michelson–Fabry–Pérot interferometers for the detection of gravitational waves. In this application, the Fabry–Pérot cavity is used to store photons for almost a millisecond while they bounce up and down between the mirrors. This increases the time a gravitational wave can interact with the light, which results in a better sensitivity at low frequencies. Smaller cavities, usually called mode cleaners, are used for spatial filtering and frequency stabilization of the main laser. The first observation of gravitational waves occurred on September 14, 2015. 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. An astronomical interferometer achieves high resolution observations using the technique of aperture synthesis, mixing signals from a cluster of comparatively small telescopes rather than a single very expensive monolithic telescope. Astronomical optical interferometry has had to overcome a number of technical issues not shared by radio telescope interferometry. The short wavelengths of light necessitate extreme precision and stability of construction. For example, spatial resolution of 1 milliarcsecond requires 0.5 μm stability in a 100 m baseline. Optical interferometric measurements require high sensitivity, low noise detectors that did not become available until the late 1990s. Astronomical "seeing", the turbulence that causes stars to twinkle, introduces rapid, random phase changes in the incoming light, requiring data collection rates to be faster than the rate of turbulence. Despite these technical difficulties, three major facilities are now in operation offering resolutions down to the fractional milliarcsecond range. This linked video shows a movie assembled from aperture synthesis images of the Beta Lyrae system, a binary star system approximately 960 light years (290 parsecs) away in the constellation Lyra, as observed by the CHARA array with the MIRC instrument. The brighter component is the primary star, or the mass donor. The fainter component is the thick disk surrounding the secondary star, or the mass gainer. The two components are separated by 1 milli arcsecond. Tidal distortions of the mass donor and the mass gainer are both clearly visible. The wave character of matter can be exploited to build interferometers. The first examples of matter interferometers were electron interferometers, later followed by neutron interferometers. Around 1990 the first atom interferometers were demonstrated, later followed by interferometers employing molecules. Electron holography is an imaging technique that photographically records the electron interference pattern of an object, which is then reconstructed to yield a greatly magnified image of the original object. This technique was developed to enable greater resolution in electron microscopy than is possible using conventional imaging techniques. The resolution of conventional electron microscopy is not limited by electron wavelength, but by the large aberrations of electron lenses. Neutron interferometry has been used to investigate the Aharonov–Bohm effect, to examine the effects of gravity acting on an elementary particle, and to demonstrate a strange behavior of fermions that is at the basis of the Pauli exclusion principle: Unlike macroscopic objects, when fermions are rotated by 360° about any axis, they do not return to their original state, but develop a minus sign in their wave function. In other words, a fermion needs to be rotated 720° before returning to its original state. Atom interferometry techniques are reaching sufficient precision to allow laboratory scale tests of general relativity. Interferometers are used in atmospheric physics for high precision measurements of trace gases via remote sounding of the atmosphere. There are several examples of interferometers that utilize either absorption or emission features of trace gases. A typical use would be in continual monitoring of the column concentration of trace gases such as ozone and carbon monoxide above the instrument.

Инженерлік және қолданбалы ғылымдар

Ньютондық интерферометрия (сынақ пластинкасы) оптикалық өнеркәсіпте беттердің сапасын қалыптастыру және өңдеу кезінде сынау үшін жиі қолданылады. 13-суретте екі сынақ пластинкаларын әртүрлі дайындық сатыларында тексеру үшін қолданылған эталондық пластинкалардың суреттері көрсетілген, онда интерференциялық жиектердің әртүрлі үлгілері байқалады. Эталондық пластинкалардың төменгі беттері сынақ пластинкаларымен жанасып, монохроматты жарық көзімен жарықтандырылады. Екі беттен шағылысқан жарық толқындары кедергілесіп, жарық және қара жолақтардың үлгісін құрайды. Сол жақтағы суреттегі бетке жуық жазық, бұл тең аралықтағы түзу параллель интерференциялық жиектер үлгісімен көрсетілген. Оң жақтағы суреттегі бет тегіс емес, нәтижесінде қисық жиектер үлгісі пайда болады. Әрбір жақын жиектердің жұбы жарық толқынының жарты толқынына тең бетінің биіктігіндегі айырмашылықты көрсетеді, сондықтан биіктіктегі айырмашылықты жиектерді санау арқылы өлшеуге болады. Бұл әдіспен беттердің жазықтығын миллионнан бір бөлікке дейін өлшеуге болады. Сыналатын беті эталондық оптикалық пластинкаға қатысты ойыс немесе дөңес екенін анықтау үшін бірнеше процедуралардың кез келгенін қолдануға болады. Жоғары жақтағы пластинкаға жұмсақ қысым жасағанда жиектердің қалай ығысатынын байқауға болады. Егер жиектерді ақ жарықта бақыласа, түстердің тізбегі тәжірибемен таныс болады және түсіндіруге көмектеседі. Соңында, басты қалыптық күйден көлбеу күйге жылжытқанда жиектердің көрінісін салыстыруға болады. Оптикалық шеберханаларда жиі қолданылатын осы маневрлер ресми сынақ ортасында қолдануға жарамсыз. Сатуға дайын болған кезде пластинкалар әдетте ресми сынақ пен сертификаттау үшін Физо интерферометріне орнатылады. Фабри-Перо эталондары телекоммуникация, лазерлер және спектроскопияда жарықтың толқын ұзындығын бақылау және өлшеу үшін кеңінен қолданылады. Дихроидты сүзгілер - көп қабатты жұқа пленкалы эталондар. Телекоммуникацияда толқын ұзындығы бойынша мультиплекстеу, яғни бір оптикалық талшық арқылы жарықтың бірнеше толқын ұзындығын пайдалану технологиясы, жұқа пленкалы эталондардан тұратын сүзгі құрылғыларына байланысты. Бір режимді лазерлер пайдалы бір режимнен басқа барлық оптикалық қуыс режимдерін жою үшін эталондарды қолданады. Оны Микельсон конфигурациясынан ерекшелейтін негізгі ерекшеліктері - монохроматты нүктелі жарық көзі мен коллиматордың қолданылуы. Микельсон (1918) Twyman-Green конфигурациясын үлкен оптикалық компоненттерді сынауға жарамсыз деп сынға алды, өйткені сол кездегі жарық көздерінің когерентті ұзындығы шектеулі болды. Микельсон геометриялық шектеулердің когерентті ұзындығымен шектелетінін, сынақ айнасына тең өлшемді эталондық айнаны қолдануды талап ететінін, бұл Twyman-Green-ді көптеген мақсаттар үшін тиімсіз ететінін атап өтті. Онжылдықтар өткен соң, лазерлік жарық көздерінің пайда болуы Микельсонның қарсылықтарына жауап берді. (Лазерлік жарық көзі мен тең емес жол ұзындығын пайдаланатын Twyman-Green интерферометрі ЛАЗЕРЛІК ТЕҢ ЕМЕС ЖОЛ ИНТЕРФЕРОМЕТРІ немесе LUPI деп аталады.) 14-суретте линзаны сынау үшін орнатылған Twyman-Green интерферометрі көрсетілген. Монохроматты нүктелі көзден шыққан жарық дивергентті линзамен кеңейтіледі (көрсетілмейді), содан кейін параллель сәулеге коллимацияланады. Сфералық айна сыналатын линзаның фокусына сәйкес етіп орналастырылады. Шығатын сәулелерді талдау үшін бейнелеу жүйесі тіркейді. Мах-Цендер интерферометрлері интегралды оптикалық схемаларда қолданылады, онда жарық толқын жетектерінің екі тармағы арасында кедергілеседі, олардың салыстырмалы фазасын өзгерту үшін сырттан модуляцияланады. Сәуле бөлігіштердің бірінің сәл еңісуі жол айырмашылығына және кедергі үлгісінің өзгеруіне әкеледі. Мах-Цендер интерферометрлері RF модуляторларынан бастап сенсорларға дейін оптикалық коммутаторларға дейін әртүрлі құрылғылардың негізі болып табылады. Соңғы ұсынылған өте үлкен астрономиялық телескоптар, мысалы, Отыз метрлік телескоп және Өте үлкен телескоп, сегменттелген дизайнға ие болады. Олардың негізгі айналары жүздеген алтыбұрышты айна сегменттерінен құралады. Бұл өте асфералық және айналу симметриясы жоқ айна сегменттерін жылтырату және өңдеу үлкен қиындық тудырады. Дәстүрлі оптикалық сынақ әдісі бетті нөлдік түзетушінің көмегімен шарлық эталонмен салыстырады. Соңғы жылдары компьютерлік-генерацияланған голограммалар (КГГ) күрделі асфералық беттерді сынау үшін нөлдік түзетушілерді толықтыра бастады. 15-суретте бұл қалай жасалатыны көрсетілген. Суретте көрсетілгендей, нақты КГГ-лердің жолдар арасы 1-ден 10 мкм-ға дейін болады. Лазерлік жарық КГГ арқылы өткеде, нөлдік дифракцияланған сәуле толқын фронтын өзгертпейді. Бірақ бірінші ретті дифракцияланған сәуленің толқын фронты сынақ бетінің қажетті пішініне сәйкес өзгереді. Суретте көрсетілген Физо интерферометрінде нөлдік дифракцияланған сәуле шарлық эталондық бетке бағытталады, ал бірінші ретті дифракцияланған сәуле сынақ бетіне бағытталады, екі шағылысқан сәуле кедергі жиектерін құру үшін біріктіріледі. Осы сынақ орнатуын ең кішкентай айналар үшін де, ең үлкендері үшін де қолдануға болады, тек КГГ-ны ауыстыру қажет. Сақиналық лазер гироскоптары (RLG) және талшықты оптикалық гироскоптар (FOG) навигациялық жүйелерде қолданылатын интерферометрлер. Олар Сагнак эффектісінің принципі бойынша жұмыс істейді. RLG-дегі және FOG-дегі айырмашылық - RLG-дегі бүкіл сақина лазердің бөлігі болса, FOG-де сыртқы лазер сақиналық оптикалық талшыққа қарсы таралатын сәулелерді жібереді, ал жүйенің айналуы осы сәулелер арасындағы фазалық айырмашылықты тудырады. RLG-де байқалатын фазалық айырмашылық жиналған айналуға пропорционалды, ал FOG-де байқалатын фазалық айырмашылық бұрыштық жылдамдыққа пропорционалды. Телекоммуникациялық желілерде гетеродиндік әдіс жеке сигналдардың жиіліктерін бір физикалық тарату желісінде бөлісе алатын әртүрлі каналдарға жылжыту үшін қолданылады. Бұл жиілік бойынша мультиплекстеу (FDM) деп аталады. Мысалы, кабельдік теледидар жүйесінде қолданылатын коаксиалды кабель бір уақытта 500 телеарнаны тасымалдай алады, өйткені әрбір арнаға әртүрлі жиілік беріледі, сондықтан олар бір-біріне кедергі келтірмейді. Ұздіксіз толқынды (CW) доплерлік радар детекторлары негізінен таратылған және шағылысқан сәулелерді салыстыратын гетеродиндік анықтау құрылғылары болып табылады. Оптикалық гетеродиндік анықтау когерентті Доплер лидар өлшемдерінде қолданылады, ол атмосферадағы өте әлсіз шашыраған жарықты анықтауға және жел жылдамдықтарын жоғары дәлдікпен бақылауға қабілетті. Ол оптикалық талшық байланысында, әртүрлі жоғары ажыратымдылық спектроскопиялық әдістерде және өзіндік гетеродиндік әдіс лазердің енін өлшеу үшін қолданылады. Оптикалық гетеродиндік анықтау оптикалық көздердің жиіліктерін жоғары дәлдікпен өлшеуде, сондай-ақ олардың жиіліктерін тұрақтандыруда қолданылатын маңызды техника болып табылады. Бірнеше жылдарға дейін, цезий немесе басқа атомдық уақыт көзінің микротолқынды жиілігін оптикалық жиіліктермен байланыстыру үшін ұзақ жиілік тізбектері қажет болды. Тізбектің әр қадамында жиілік көбейтілгіші осы қадамның жиілігінің гармоникасын шығару үшін қолданылатын болады, ол келесі қадаммен (микротолқынды көздің, алыс инфрақызыл лазердің, инфрақызыл лазердің немесе көрінетін лазердің шығысы) гетеродиндік анықтау арқылы салыстырылатын болады. Жеке спектральдық сызықты өлшеу үшін әдетте тізбекті құруға бірнеше жылдық күш-жігер жұмсалатын еді. Қазіргі уақытта оптикалық жиілік гребендері оптикалық жиіліктерді өлшеудің әлдеқайда қарапайым әдісін ұсынды. Егер режимді құлыпталған лазер импульстар тізбегін құру үшін модуляцияланса, оның спектрі тасымалдаушы жиілігінен және импульс қайталану жиілігіне тең аралықтағы оптикалық қосымша жиіліктердің тығыз орналасқан гребенінен тұратыны көрінеді (16-сурет). Импульс қайталану жиілігі ...

Newton (test plate) interferometry is frequently used in the optical industry for testing the quality of surfaces as they are being shaped and figured. Fig. 13 shows photos of reference flats being used to check two test flats at different stages of completion, showing the different patterns of interference fringes. The reference flats are resting with their bottom surfaces in contact with the test flats, and they are illuminated by a monochromatic light source. The light waves reflected from both surfaces interfere, resulting in a pattern of bright and dark bands. The surface in the left photo is nearly flat, indicated by a pattern of straight parallel interference fringes at equal intervals. The surface in the right photo is uneven, resulting in a pattern of curved fringes. Each pair of adjacent fringes represents a difference in surface elevation of half a wavelength of the light used, so differences in elevation can be measured by counting the fringes. The flatness of the surfaces can be measured to millionths of an inch by this method. To determine whether the surface being tested is concave or convex with respect to the reference optical flat, any of several procedures may be adopted. One can observe how the fringes are displaced when one presses gently on the top flat. If one observes the fringes in white light, the sequence of colors becomes familiar with experience and aids in interpretation. Finally one may compare the appearance of the fringes as one moves ones head from a normal to an oblique viewing position. These sorts of maneuvers, while common in the optical shop, are not suitable in a formal testing environment. When the flats are ready for sale, they will typically be mounted in a Fizeau interferometer for formal testing and certification. Fabry Pérot etalons are widely used in telecommunications, lasers and spectroscopy to control and measure the wavelengths of light. Dichroic filters are multiple layer thin film etalons. In telecommunications, wavelength division multiplexing, the technology that enables the use of multiple wavelengths of light through a single optical fiber, depends on filtering devices that are thin film etalons. Single mode lasers employ etalons to suppress all optical cavity modes except the single one of interest. The basic characteristics distinguishing it from the Michelson configuration are the use of a monochromatic point light source and a collimator. Michelson (1918) criticized the Twyman–Green configuration as being unsuitable for the testing of large optical components, since the light sources available at the time had limited coherence length. Michelson pointed out that constraints on geometry forced by limited coherence length required the use of a reference mirror of equal size to the test mirror, making the Twyman–Green impractical for many purposes. Decades later, the advent of laser light sources answered Michelson's objections. (A Twyman–Green interferometer using a laser light source and unequal path length is known as a Laser Unequal Path Interferometer, or LUPI.) Fig. 14 illustrates a Twyman–Green interferometer set up to test a lens. Light from a monochromatic point source is expanded by a diverging lens (not shown), then is collimated into a parallel beam. A convex spherical mirror is positioned so that its center of curvature coincides with the focus of the lens being tested. The emergent beam is recorded by an imaging system for analysis. Mach–Zehnder interferometers are being used in integrated optical circuits, in which light interferes between two branches of a waveguide that are externally modulated to vary their relative phase. A slight tilt of one of the beam splitters will result in a path difference and a change in the interference pattern. Mach–Zehnder interferometers are the basis of a wide variety of devices, from RF modulators to sensors to optical switches. The latest proposed extremely large astronomical telescopes, such as the Thirty Meter Telescope and the Extremely Large Telescope, will be of segmented design. Their primary mirrors will be built from hundreds of hexagonal mirror segments. Polishing and figuring these highly aspheric and non rotationally symmetric mirror segments presents a major challenge. Traditional means of optical testing compares a surface against a spherical reference with the aid of a null corrector. In recent years, computer generated holograms (CGHs) have begun to supplement null correctors in test setups for complex aspheric surfaces. Fig. 15 illustrates how this is done. Unlike the figure, actual CGHs have line spacing on the order of 1 to 10 μm. When laser light is passed through the CGH, the zero order diffracted beam experiences no wavefront modification. The wavefront of the first order diffracted beam, however, is modified to match the desired shape of the test surface. In the illustrated Fizeau interferometer test setup, the zero order diffracted beam is directed towards the spherical reference surface, and the first order diffracted beam is directed towards the test surface in such a way that the two reflected beams combine to form interference fringes. The same test setup can be used for the innermost mirrors as for the outermost, with only the CGH needing to be exchanged. Ring laser gyroscopes (RLGs) and fibre optic gyroscopes (FOGs) are interferometers used in navigation systems. They operate on the principle of the Sagnac effect. The distinction between RLGs and FOGs is that in a RLG, the entire ring is part of the laser while in a FOG, an external laser injects counter propagating beams into an optical fiber ring, and rotation of the system then causes a relative phase shift between those beams. In a RLG, the observed phase shift is proportional to the accumulated rotation, while in a FOG, the observed phase shift is proportional to the angular velocity. In telecommunication networks, heterodyning is used to move frequencies of individual signals to different channels which may share a single physical transmission line. This is called frequency division multiplexing (FDM). For example, a coaxial cable used by a cable television system can carry 500 television channels at the same time because each one is given a different frequency, so they don't interfere with one another. Continuous wave (CW) doppler radar detectors are basically heterodyne detection devices that compare transmitted and reflected beams. Optical heterodyne detection is used for coherent Doppler lidar measurements capable of detecting very weak light scattered in the atmosphere and monitoring wind speeds with high accuracy. It has application in optical fiber communications, in various high resolution spectroscopic techniques, and the self heterodyne method can be used to measure the linewidth of a laser. Optical heterodyne detection is an essential technique used in high accuracy measurements of the frequencies of optical sources, as well as in the stabilization of their frequencies. Until a relatively few years ago, lengthy frequency chains were needed to connect the microwave frequency of a cesium or other atomic time source to optical frequencies. At each step of the chain, a frequency multiplier would be used to produce a harmonic of the frequency of that step, which would be compared by heterodyne detection with the next step (the output of a microwave source, far infrared laser, infrared laser, or visible laser). Each measurement of a single spectral line required several years of effort in the construction of a custom frequency chain. Currently, optical frequency combs have provided a much simpler method of measuring optical frequencies. If a mode locked laser is modulated to form a train of pulses, its spectrum is seen to consist of the carrier frequency surrounded by a closely spaced comb of optical sideband frequencies with a spacing equal to the pulse repetition frequency (Fig. 16). The pulse repetition frequency is locked to that of the frequency standard, and the frequencies of the comb elements at the red end of the spectrum are doubled and heterodyned with the frequencies of the comb elements at the blue end of the spectrum, thus allowing the comb to serve as its own reference. In this manner, locking of the frequency comb output to an atomic standard can be performed in a single step. To measure an unknown frequency, the frequency comb output is dispersed into a spectrum. The unknown frequency is overlapped with the appropriate spectral segment of the comb and the frequency of the resultant heterodyne beats is measured. One of the most common industrial applications of optical interferometry is as a versatile measurement tool for the high precision examination of surface topography. Popular interferometric measurement techniques include Phase Shifting Interferometry (PSI), and Vertical Scanning Interferometry(VSI), also known as scanning white light interferometry (SWLI) or by the ISO term coherence scanning interferometry (CSI), CSI exploits coherence to extend the range of capabilities for interference microscopy. These techniques are widely used in micro electronic and micro optic fabrication. PSI uses monochromatic light and provides very precise measurements; however it is only usable for surfaces that are very smooth. CSI often uses white light and high numerical apertures, and rather than looking at the phase of the fringes, as does PSI, looks for best position of maximum fringe contrast or some other feature of the overall fringe pattern. In its simplest form, CSI provides less precise measurements than PSI but can be used on rough surfaces. Some configurations of CSI, variously known as Enhanced VSI (EVSI), high resolution SWLI or Frequency Domain Analysis (FDA), use coherence effects in combination with interference phase to enhance precision. Phase Shifting Interferometry addresses several issues associated with the classical analysis of static interferograms. Classically, one measures the positions of the fringe centers. As seen in Fig. 13, fringe deviations from straightness and equal spacing provide a measure of the aberration. Errors in determining the location of the fringe centers provide the inherent limit to precision of the classical analysis, and any intensity variations across the interferogram will also introduce error. There is a trade off between precision and number of data points: closely spaced fringes provide many data points of low precision, while widely spaced fringes provide a low number of high precision data points. Since fringe center data is all that one uses in the classical analysis, all of the other information that might theoretically be obtained by detailed analysis of the intensity variations in an interferogram is thrown away. Phase shifting interferometry overcomes these limitations by not relying on finding fringe centers, but rather by collecting intensity data from every point of the CCD image sensor. As seen in Fig. 17, multiple interferograms (at least three) are analyzed with the reference optical surface shifted by a precise fraction of a wavelength between each exposure using a piezoelectric transducer (PZT). Alternatively, precise phase shifts can be introduced by modulating the laser frequency. The captured images are processed by a computer to calculate the optical wavefront errors. The precision and reproducibility of PSI is far greater than possible in static interferogram analysis, with measurement repeatabilities of a hundredth of a wavelength being routine. Phase shifting technology has been adapted to a variety of interferometer types such as Twyman–Green, Mach–Zehnder, laser Fizeau, and even common path configurations such as point diffraction and lateral shearing interferometers. More generally, phase shifting techniques can be adapted to almost any system that uses fringes for measurement, such as holographic and speckle interferometry. interference is only achieved when the path length delays of the interferometer are matched within the coherence time of the light source. CSI monitors the fringe contrast rather than the phase of the fringes. The sample (or alternatively, the objective) is moved vertically over the full height range of the sample, and the position of maximum fringe contrast is found for each pixel. The chief benefit of coherence scanning interferometry is that systems can be designed that do not suffer from the 2 pi ambiguity of coherent interferometry, and as seen in Fig. 18, which scans a 180μm x 140μm x 10μm volume, it is well suited to profiling steps and rough surfaces. The axial resolution of the system is determined in part by the coherence length of the light source. Industrial applications include in process surface metrology, roughness measurement, 3D surface metrology in hard to reach spaces and in hostile environments, profilometry of surfaces with high aspect ratio features (grooves, channels, holes), and film thickness measurement (semi conductor and optical industries, etc.). Fig. 19 illustrates a Twyman–Green interferometer set up for white light scanning of a macroscopic object. Holographic interferometry is a technique which uses holography to monitor small deformations in single wavelength implementations. In multi wavelength implementations, it is used to perform dimensional metrology of large parts and assemblies and to detect larger surface defects. Eventually, several independent groups of experimenters in the mid 60s realized that the fringes encoded important information about dimensional changes occurring in the subject, and began intentionally producing holographic double exposures. The main Holographic interferometry article covers the disputes over priority of discovery that occurred during the issuance of the patent for this method. Double and multi exposure holography is one of three methods used to create holographic interferograms. A first exposure records the object in an unstressed state. Subsequent exposures on the same photographic plate are made while the object is subjected to some stress. The composite image depicts the difference between the stressed and unstressed states. Real time holography is a second method of creating holographic interferograms. A holograph of the unstressed object is created. This holograph is illuminated with a reference beam to generate a hologram image of the object directly superimposed over the original object itself while the object is being subjected to some stress. The object waves from this hologram image will interfere with new waves coming from the object. This technique allows real time monitoring of shape changes. Electronic speckle pattern interferometry (ESPI), also known as TV holography, uses video detection and recording to produce an image of the object upon which is superimposed a fringe pattern which represents the displacement of the object between recordings. (see Fig. 21) The fringes are similar to those obtained in holographic interferometry. When lasers were first invented, laser speckle was considered to be a severe drawback in using lasers to illuminate objects, particularly in holographic imaging because of the grainy image produced. It was later realized that speckle patterns could carry information about the object's surface deformations. Butters and Leendertz developed the technique of speckle pattern interferometry in 1970, and since then, speckle has been exploited in a variety of other applications. A photograph is made of the speckle pattern before deformation, and a second photograph is made of the speckle pattern after deformation. Digital subtraction of the two images results in a correlation fringe pattern, where the fringes represent lines of equal deformation. Short laser pulses in the nanosecond range can be used to capture very fast transient events. A phase problem exists: In the absence of other information, one cannot tell the difference between contour lines indicating a peak versus contour lines indicating a trough. To resolve the issue of phase ambiguity, ESPI may be combined with phase shifting methods. A method of establishing precise geodetic baselines, invented by Yrjö Väisälä, exploited the low coherence length of white light. Initially, white light was split in two, with the reference beam "folded", bouncing back and forth six times between a mirror pair spaced precisely 1 m apart. Only if the test path was precisely 6 times the reference path would fringes be seen. Repeated applications of this procedure allowed precise measurement of distances up to 864 meters. Baselines thus established were used to calibrate geodetic distance measurement equipment, leading to a metrologically traceable scale for geodetic networks measured by these instruments. (This method has been superseded by GPS.) Other uses of interferometers have been to study dispersion of materials, measurement of complex indices of refraction, and thermal properties. They are also used for three dimensional motion mapping including mapping vibrational patterns of structures.

Биология және медицина

Биология мен медицинада қолданылатын оптикалық интерферометрия биомолекулаларды, субклеткалық компоненттерді, жасушалар мен тіндерді өлшеу үшін сезімтал метрология мүмкіндіктерін қамтамасыз етеді. Көптеген белгісіз биосенсорлар интерферометрияға негізделген, себебі электромагниттік өрістердің жергілікті молекулалық поляризацияланумен тікелей өзара әрекеттесуі флуоресцентті тегтер немесе нанобөлшектер маркерлерінің қажеттілігін жояды. Үлкен масштабта жасушалық интерферометрия фазалық контраст микроскопиясымен байланысты, бірақ жасушалық құрамдас бөліктердің арасындағы оптикалық кедергіге, сыну және дифракцияға негізделген фазаға сезімтал оптикалық конфигурациялардың әлдеқайда кең класын қамтиды. Тін масштабында, микроаберрациялар мен тін құрылымының әртүрлілігі арқылы ішінара когерентті алға шашыраған жарық таралуы фазаға сезімтал қақпаны (оптикалық когерентті томография) және фазаға сезімтал флуктуациялық спектроскопияны жұмсақ құрылымдық және динамикалық қасиеттерді бейнелеу үшін пайдалануға мүмкіндік береді. 22-сурет. Бөлшектік нүктедегі ОКТ-ның типтік оптикалық орнатылуы. 23-сурет. Орталық сероздық ретинопатия, оптикалық когерентті томография арқылы суреттелген. Оптикалық когерентті томография (ОКТ) – ішкі тін микроқұрылымдарын томографиялық визуализациялау үшін төмен когерентті интерферометрияны қолданатын медициналық бейнелеу техникасы. 22-суретте көрсетілгендей, үлгілі ОКТ жүйесінің негізгі бөлігі – Микельсон интерферометрі. Интерферометрдің бір қолы тіндік үлгіге бағытталады және үлгіні X Y бойлық растрлық үлгіде сканерлейді. Екінші интерферометр қолы эталондық айнадан шағылыс алады. Тін үлгісінен шағылған жарық эталоннан шағылған жарықпен біріктіріледі. Жарық көзінің когеренттілігі төмен болғандықтан, интерферометриялық сигнал тек шектеулі тереңдікте ғана байқалады. Сондықтан X Y сканилеуі үлгінің бір жұқа оптикалық тілімін бір уақытта тіркеп алады. Бірнеше сканилеулер орындау арқылы және әрбір сканилеу арасында эталондық айнаны жылжыту арқылы тіннің үш өлшемді толық бейнесін қалпына келтіруге болады. Соңғы жетістіктер когерентті интерферометрияның нанометрлік фазалық ақпаратын алу мүмкіндігін төмен когерентті интерферометрияның қашықтықты анықтау қабілетімен біріктіруге бағытталған. DIC биологиялық емес қолданыстарға да ие, мысалы, жазық кремний жартылай өткізгіштерді өңдеуді талдауда. Бұрыштық ажыратылған төмен когерентті интерферометрия (a/LCI) жасушалық нысандардың, соның ішінде жасушалық ядролардың өлшемдерін өлшеу үшін шашыраңқы жарықты пайдаланады. Бұл интерферометриялық тереңдікті өлшеуді тығыздықты өлшеумен біріктіруге мүмкіндік береді. Тіннің денсаулығының күйі мен субклеткалық нысандардың өлшемдері арасында әртүрлі байланыстар табылды. Мысалы, тіндер қалыпты күйінен қатерлі ісікке айналғанда, жасуша ядросының орташа көлемі артады. Фазалық контрастты рентгендік кескінді түсіру (26-сурет) – жұмсақ тіндерді бейнелеу үшін когерентті рентген сәулесінің фазалық ақпаратын пайдаланатын әртүрлі әдістерді білдіреді. (Бастапқы талқылау үшін «Фазалық контрастты рентгендік кескіндерді алу (кіріспе)» бетіне қараңыз. Толығырақ ақпарат алу үшін «Фазалық контрастты рентгендік кескіндерді алу» қараңыз.) Бұл әдіс көптеген биологиялық және медициналық зерттеулерде жасушалық және гистологиялық құрылымдарды бейнелеудің маңызды әдісіне айналды. Рентген сәулелерінің фазалық контрастты бейнелеу үшін бірнеше технология қолданылады, олардың барлығы нысаннан шығатын рентген сәулелерінің фазалық өзгерістерін интенсивтілік өзгерістеріне айналдыру үшін әртүрлі принциптерді пайдаланады. Бұларға таралуға негізделген фазалық контраст, Талбот интерферометриясы, рефракциямен күшейтілген бейнелеу және рентгендік интерферометрия жатады. Бұл әдістер қарапайым сіңіру контрасты рентгендік кескіндермен салыстырғанда жоғары контрастты қамтамасыз етеді, соның салдарынан кішірек бөлшектерді көруге болады. Бұл әдістердің кемшілігі – синхротрон немесе микрофокус рентген сәуле көздері, рентген оптикасы немесе жоғары ажыратылатын рентген детекторлары сияқты күрделі жабдықтарды қажет етуі.

Optical interferometry, applied to biology and medicine, provides sensitive metrology capabilities for the measurement of biomolecules, subcellular components, cells and tissues. Many forms of label free biosensors rely on interferometry because the direct interaction of electromagnetic fields with local molecular polarizability eliminates the need for fluorescent tags or nanoparticle markers. At a larger scale, cellular interferometry shares aspects with phase contrast microscopy, but comprises a much larger class of phase sensitive optical configurations that rely on optical interference among cellular constituents through refraction and diffraction. At the tissue scale, partially coherent forward scattered light propagation through the micro aberrations and heterogeneity of tissue structure provides opportunities to use phase sensitive gating (optical coherence tomography) as well as phase sensitive fluctuation spectroscopy to image subtle structural and dynamical properties. Figure 22. Typical optical setup of single point OCT Figure 23. Central serous retinopathy,imaged usingoptical coherence tomography

Optical coherence tomography (OCT) is a medical imaging technique using low coherence interferometry to provide tomographic visualization of internal tissue microstructures. As seen in Fig. 22, the core of a typical OCT system is a Michelson interferometer. One interferometer arm is focused onto the tissue sample and scans the sample in an X Y longitudinal raster pattern. The other interferometer arm is bounced off a reference mirror. Reflected light from the tissue sample is combined with reflected light from the reference. Because of the low coherence of the light source, interferometric signal is observed only over a limited depth of sample. X Y scanning therefore records one thin optical slice of the sample at a time. By performing multiple scans, moving the reference mirror between each scan, an entire three dimensional image of the tissue can be reconstructed. Recent advances have striven to combine the nanometer phase retrieval of coherent interferometry with the ranging capability of low coherence interferometry. DIC also has non biological applications, for example in the analysis of planar silicon semiconductor processing. Angle resolved low coherence interferometry (a/LCI) uses scattered light to measure the sizes of subcellular objects, including cell nuclei. This allows interferometry depth measurements to be combined with density measurements. Various correlations have been found between the state of tissue health and the measurements of subcellular objects. For example, it has been found that as tissue changes from normal to cancerous, the average cell nuclei size increases. Phase contrast X ray imaging (Fig. 26) refers to a variety of techniques that use phase information of a coherent x ray beam to image soft tissues. (For an elementary discussion, see Phase contrast x ray imaging (introduction). For a more in depth review, see Phase contrast X ray imaging.) It has become an important method for visualizing cellular and histological structures in a wide range of biological and medical studies. There are several technologies being used for x ray phase contrast imaging, all utilizing different principles to convert phase variations in the x rays emerging from an object into intensity variations. These include propagation based phase contrast, Talbot interferometry, refraction enhanced imaging, and x ray interferometry. These methods provide higher contrast compared to normal absorption contrast x ray imaging, making it possible to see smaller details. A disadvantage is that these methods require more sophisticated equipment, such as synchrotron or microfocus x ray sources, x ray optics, or high resolution x ray detectors.