Введение

Устройство для определения относительного сдвига фаз

Интерферометр Маха — Цендера — это устройство, используемое для определения изменений относительного сдвига фаз между двумя коллимированными пучками, полученными путем разделения света из единого источника. Интерферометр применялся, в частности, для измерения сдвигов фаз между двумя пучками, вызванных образцом или изменением длины одного из плеч. Устройство названо в честь физиков Людвига Маха (сына Эрнста Маха) и Людвига Цендера; предложение Цендера, опубликованное в 1891 году, было доработано Махом в 1892 году. Была продемонстрирована интерферометрия Маха — Цендера как с электронами, так и со светом. Благодаря своей универсальности конфигурация Маха — Цендера нашла применение в широком спектре исследовательских областей, особенно в фундаментальной квантовой механике.

Дизайн

Интерферометр Маха-Зендера – это высококонфигурируемый прибор. В отличие от хорошо известного интерферометра Майкельсона, каждый из чётко разделенных световых путей проходит только один раз. Если источник имеет малую длину когерентности, необходимо уделять особое внимание уравниванию двух оптических путей. Белый свет, в частности, требует одновременного уравнивания оптических путей для всех длин волн, иначе интерференционные полосы не будут видны (если не использовать монохромный фильтр для выделения одной длины волны). Как видно на рис. 1, компенсационная ячейка, изготовленная из того же типа стекла, что и измеряемая ячейка (для обеспечения одинаковой оптической дисперсии), должна быть помещена в траекторию опорного луча для согласования с измеряемой ячейкой. Обратите внимание также на точную ориентацию разделителей луча. Отражающие поверхности разделителей луча должны быть ориентированы таким образом, чтобы тестовый и опорный лучи проходили через одинаковое количество стекла. При такой ориентации тестовый и опорный лучи испытывают по два отражения от передней поверхности, что приводит к одинаковому числу фазовых инверсий. В результате свет проходит одинаковое оптическое расстояние в тестовом и опорном лучах, что приводит к конструктивной интерференции. Коллимированные источники формируют нелокализованную интерференционную картину. Локализованные полосы возникают при использовании протяженного источника. На рис. 2 видно, что интерференционные полосы можно настроить так, чтобы они были локализованы в любой желаемой плоскости. В большинстве случаев полосы настраиваются так, чтобы лежать в той же плоскости, что и измеряемый объект, чтобы можно было одновременно сфотографировать полосы и объект.

Операция

Коллимированный луч разделяется полусеребряным зеркалом. Два образовавшихся луча ("луч образца" и "опорный луч") отражаются от зеркал. Затем оба луча проходят через второе полусеребряное зеркало и попадают в два детектора. Уравнения Френеля для отражения и прохождения волны в диэлектрической среде показывают, что при отражении происходит изменение фазы, когда волна, распространяющаяся в среде с меньшим показателем преломления, отражается от среды с большим показателем преломления, но не наоборот. Сдвиг фазы в 180° происходит при отражении от передней поверхности зеркала, поскольку среда за зеркалом (стекло) имеет более высокий показатель преломления, чем среда, в которой распространяется свет (воздух). Отражение от задней поверхности не сопровождается сдвигом фазы, так как среда за зеркалом (воздух) имеет меньший показатель преломления, чем среда, в которой распространяется свет (стекло). Скорость света в среде с показателем преломления, превышающим единицу (для вакуума), ниже. В частности, ее скорость равна: v = c/n, где c – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления. Это приводит к увеличению сдвига фазы пропорционально (n − 1) × пройденному расстоянию. Если k – постоянный сдвиг фазы, возникающий при прохождении через стеклянную пластину, на которой расположено зеркало, то при отражении от задней поверхности зеркала происходит общий сдвиг фазы в 2k. Это происходит потому, что свет, направляющийся к задней поверхности зеркала, входит в стеклянную пластину, вызывая сдвиг фазы k, затем отражается от зеркала без дополнительного сдвига фазы (так как за зеркалом теперь только воздух) и снова проходит через стеклянную пластину, вызывая дополнительный сдвиг фазы k. Правило о сдвиге фазы применимо к разделителям луча с диэлектрическим покрытием и требует модификации при использовании металлического покрытия или учете различных поляризаций. Кроме того, в реальных интерферометрах толщины разделителей луча могут отличаться, а длины хода лучей не обязательно равны. Тем не менее, при отсутствии поглощения, закон сохранения энергии гарантирует, что разность хода двух лучей должна составлять половину длины волны. Также часто используются разделители луча, не имеющие соотношения 50/50, для повышения производительности интерферометра при определенных типах измерений.

Применение

Относительно большое и свободно доступное рабочее пространство интерферометра Маха — Цендера и его гибкость в определении положения интерференционных полос сделали его интерферометром выбора для визуализации потоков в аэродинамических трубах и для исследований визуализации потоков в целом. Он широко используется в аэродинамике, физике плазмы и теплопередаче для измерения изменений давления, плотности и температуры газов. Возможность простого управления характеристиками света в эталонном канале, не влияя на свет в объектном канале, способствовала популяризации конфигурации Маха — Цендера в голографической интерферометрии. В частности, оптическое гетеродинирование с частотно-смещенным опорным пучком, отклоненным от оси, обеспечивает хорошие экспериментальные условия для голографии, ограниченной шумом выстрела, с использованием видеокамер, виброметрии и лазерной доплеровской визуализации кровотока. В оптических телекоммуникациях он применяется как электрооптический модулятор для фазовой и амплитудной модуляции света. Исследователи в области оптических вычислений предложили использовать конфигурации интерферометра Маха — Цендера в оптических нейронных чипах для значительного ускорения алгоритмов нейронных сетей с комплексными значениями. Универсальность конфигурации Маха — Цендера привела к ее применению в широком спектре фундаментальных исследований в квантовой механике, включая изучение контрфактической определенности, квантовой запутанности, квантовых вычислений, квантовой криптографии, квантовой логики, тестера бомбы Элитцура — Вайдмана, эксперимента квантового ластика, квантового эффекта Зено и нейтронной дифракции.