Michelson interferometresi - Michelson interferometer

Şekil 1. Optik kaynak ve dedektörü içermeyen temel bir Michelson interferometresi.
Bu görüntü basit ama tipik bir Michelson interferometresini göstermektedir. Parlak sarı çizgi, ışığın yolunu gösterir.

Michelson interferometresi optik için ortak bir yapılandırmadır interferometriye ve 19 / 20. yüzyıl Amerikan fizikçi tarafından icat edilmiştir Albert Abraham Michelson . Bir ışın ayırıcı kullanılarak , bir ışık kaynağı iki kola ayrılır. Bu ışık ışınlarının her biri, daha sonra süperpozisyon ilkesini kullanarak genliklerini birleştiren ışın ayırıcıya doğru geri yansıtılır . Kaynağa doğru yönlendirilmeyen sonuçta ortaya çıkan girişim deseni tipik olarak bir tür fotoelektrik detektöre veya kameraya yönlendirilir . İnterferometrenin farklı uygulamaları için, iki ışık yolu farklı uzunluklarda olabilir veya test edilen optik elemanlar veya hatta malzemeler içerebilir.

Michelson interferometresi (diğer interferometre konfigürasyonları arasında) birçok bilimsel deneyde kullanılmaktadır ve Michelson ve Edward Morley tarafından ünlü Michelson-Morley deneyinde (1887) Dünya'nın varsayılan olarak hareketini tespit edecek bir konfigürasyonda kullanımıyla tanınmaktadır. O zamanlar çoğu fizikçinin inandığı ışık saçan eter , ışık dalgalarının yayıldığı ortamdı . Bu denemenin boş sonucu esasen yol açmak üzere, böyle bir eterin varlığını çürüttü özel görelilik kuramı ve fizikte devrim yirminci yüzyılın başında. 2015 yılında, Michelson interferometresinin bir başka uygulaması olan LIGO , yerçekimi dalgalarının ilk doğrudan gözlemini yaptı . Bu gözlem , teorinin büyük ölçekli kozmik olaylar bağlamında ( güçlü alan testleri olarak bilinir ) uzay-zaman bozulmasına ilişkin tahminini doğrulayarak, genel göreliliğin önemli bir tahminini doğruladı .

Yapılandırma

Şekil 2. Michelson interferometresinde ışık yolu .

Bir Michelson interferometresi, minimum olarak M 1 & M 2 aynalarından ve bir ışın ayırıcı M 'den oluşur . Şekil 2'de, bir S kaynağı , C noktasında ışın ayırıcıya (bu durumda, bir plaka ışın ayırıcı) M yüzeyine çarpan ışık yayar . M kısmen yansıtıcıdır, bu nedenle ışığın bir kısmı B noktasına iletilirken bir kısmı A yönünde yansıtılır . Her iki ışın da C' noktasında yeniden birleşerek dedektöre E noktasında (veya bir kişinin gözünün retinasında) gelen bir girişim deseni oluşturur . Örneğin, geri dönen iki ışın arasında hafif bir açı varsa, o zaman bir görüntüleme detektörü Şekil 3b'de gösterildiği gibi sinüzoidal bir saçak deseni kaydedecektir . Geri dönen ışınlar arasında mükemmel bir uzamsal hizalama varsa, o zaman böyle bir model olmayacak, bunun yerine farklı yol uzunluğuna bağlı olarak ışın üzerinde sabit bir yoğunluk olacaktır; bu zordur, ışın yollarının çok hassas kontrolünü gerektirir.

Şekil 2, tutarlı (lazer) bir kaynağın kullanımını göstermektedir. Bir deşarjdan veya hatta beyaz ışıktan gelen dar bant spektral ışık da kullanılabilir, ancak önemli girişim kontrastı elde etmek için diferansiyel yol uzunluğunun ışık kaynağının tutarlılık uzunluğunun altına düşürülmesi gerekir . Bu, aşağıda tartışıldığı gibi, beyaz ışık için yalnızca mikrometre olabilir .

Kayıpsız bir ışın ayırıcı kullanılırsa, optik enerjinin korunduğu gösterilebilir . Girişim deseni her noktada, bir güç değildir detektör yöneliktir E kaynağının yönünde dönen bir kiriş (gösterilmemiştir) oldukça mevcuttur.

Şekil 3. Bir Michelson interferometresinde saçakların oluşumu
Bu fotoğraf, monokromatik ışık (sodyum D çizgileri) kullanılarak Michelson interferometresi tarafından oluşturulan saçak desenini göstermektedir.

Şek. 3a ve 3b'de gösterildiği gibi, gözlemcinin ayna doğrudan bir görünümü vardır M 1 ışın ayırıcı ile görülür, ve yansıtılan görüntü görür M' 2 ayna M 2 . Saçaklar iki sanal görüntülerin gelen ışık arasındaki müdahalenin sonucu olarak yorumlanabilir S ' 1 ve S' 2 orijinal kaynak ait S . Girişim modelinin özellikleri, ışık kaynağının doğasına ve aynaların ve ışın ayırıcının kesin yönüne bağlıdır. Şek. 3a'da, optik elemanlar gelecek şekilde yönlendirildiği S ' 1 ve S' 2 gözlemci ile uyumlu olan ve elde edilen girişim deseni daireden oluşur normal merkezli M 1 ve M' 2 eşit (saçaklar eğim ). Şek. 3b'de olduğu gibi, eğer, M 1 ve M ' 2 birbirine göre eğik olan girişim saçakları genel şeklini alacak konik kesitler (hiperbollerin), ancak, eğer M 1 ve M' 2 üst üste, saçaklar civarındaki eksen düz, paralel ve eşit aralıklı olacaktır (eşit kalınlıkta saçaklar). S, gösterildiği gibi bir nokta kaynak yerine genişletilmiş bir kaynak ise, Şekil 3a'nın saçakları sonsuza ayarlanmış bir teleskopla gözlemlenmelidir, Şekil 3b'nin saçakları ise aynalarda lokalize olacaktır.

Kaynak bant genişliği

Şekil 4. Beyaz ışık kaynağı kullanan Michelson interferometreleri

Beyaz ışığın küçük bir tutarlılık uzunluğu vardır ve bir Michelson (veya Mach–Zehnder ) interferometresinde kullanılması zordur . Dar bantlı (veya "yarı-monokromatik") bir spektral kaynak bile, bir interferometreyi aydınlatmak için kullanıldığında kromatik dağılım sorunlarına dikkat gerektirir . İki optik yol, kaynakta bulunan tüm dalga boyları için pratik olarak eşit olmalıdır. Bu gereksinim, her iki ışık yolu da aynı dağılıma sahip eşit kalınlıkta bir camdan geçerse karşılanabilir . Şekil 4a'da yatay kiriş, kiriş ayırıcıdan üç kez geçerken dikey kiriş, kiriş ayırıcıdan bir kez geçer. Dağılımı eşitlemek için, dikey kirişin yoluna, kiriş ayırıcının alt tabakasına özdeş bir dengeleme plakası eklenebilir. Şekil 4b'de, bir küp ışın ayırıcı kullanmanın camdaki yol uzunluklarını zaten eşitlediğini görüyoruz. Bir lazerden gelen son derece dar bantlı ışık kullanılarak dispersiyon eşitleme gereksinimi ortadan kaldırılır.

Saçakların kapsamı , kaynağın tutarlılık uzunluğuna bağlıdır . Şek. 3b'de sarı sodyum ışığı saçak gösterim için kullanılan yakın aralıklı çizgiler bir çift oluşur D 1 ve D 2 girişim deseni birkaç yüz saçaklar sonra bulanıklık ima. Tek boylamsal mod lazerler oldukça uyumludur ve milyonlarca hatta milyarlarca dalga boyunda farklı yol uzunlukları ile yüksek kontrastlı girişim üretebilir. Öte yandan, beyaz (geniş bant) ışık kullanıldığında, merkezi saçak keskindir, ancak merkezi saçaktan uzakta saçaklar renklidir ve gözle hızla silikleşir.

Michelson ve Morley (1887) ve Miller (1933) gibi varsayılan ışık saçan etere göre dünyanın hızını tespit etmeye çalışan ilk deneyciler , interferometrenin ilk hizalaması ve kaba yol eşitlemesi için yarı monokromatik ışığı kullandılar. Daha sonra beyaz (geniş bant) ışığa geçtiler, çünkü beyaz ışık interferometrisi kullanarak mutlak faz eşitleme noktasını ölçebildiler (faz modulo 2π yerine), böylece iki kolun yol uzunluklarını eşit ayarladılar. Daha da önemlisi, bir beyaz ışık interferometresinde, müteakip herhangi bir "kenar sıçraması" (bir dalga boyunun diferansiyel yol uzunluğu kayması) her zaman tespit edilecektir.

Uygulamalar

Şekil 5. Fourier dönüşüm spektroskopisi.

Michelson interferometre konfigürasyonu bir dizi farklı uygulamada kullanılmaktadır.

Fourier dönüşüm spektrometresi

Şekil 5, esasen bir ayna hareketli olan bir Michelson interferometresi olan bir Fourier dönüşüm spektrometresinin çalışmasını göstermektedir. (Pratik bir Fourier dönüşüm spektrometresi , geleneksel Michelson interferometresinin düz aynaları yerine köşe küp reflektörleri kullanır, ancak basitlik için, resim bunu göstermez.) ayna. Bir Fourier dönüşümü gerçek bir spektrum dönüştürür interferogram. Fourier dönüşüm spektrometreleri, belirli koşullar altında dağıtıcı (yani ızgara ve prizma) spektrometrelere göre önemli avantajlar sunabilir. (1) Michelson interferometre dedektörü, tüm ölçüm boyunca aynı anda tüm dalga boylarını izler. Kızılötesi dalga boylarında olduğu gibi gürültülü bir detektör kullanıldığında, bu yalnızca tek bir detektör elemanı kullanırken sinyal-gürültü oranında bir artış sağlar ; (2) interferometre, yüksek spektral çözünürlük elde etmek için gelen ışığın dar bir yarıktan geçmesini gerektiren ızgara veya prizma spektrometrelerinde olduğu gibi sınırlı bir açıklık gerektirmez. Bu, gelen ışık tek bir uzaysal modda olmadığında bir avantajdır. Daha fazla bilgi için Fellgett'in avantajına bakın .

Twyman-Yeşil interferometre

Şekil 6. Twyman-Green interferometresi.

Twyman-Yeşil interferometre Michelson yapılandırmasından ayırt temel özellikleri, bir tek renkli nokta ışık kaynağı ve bir kolimatör kullanılması olan, 1916 olarak, test küçük optik bileşenler için kullanılan icat Twyman ve Green tarafından patenti interferometre Michelson'un bir çeşididir . Michelson (1918), mevcut ışık kaynakları sınırlı tutarlılık uzunluğuna sahip olduğundan, Twyman-Green konfigürasyonunu büyük optik bileşenlerin test edilmesi için uygun olmadığı için eleştirdi . Michelson, sınırlı tutarlılık uzunluğunun zorladığı geometri üzerindeki kısıtlamaların, test aynasına eşit boyutta bir referans aynasının kullanılmasını gerektirdiğine ve bu da Twyman-Green'i birçok amaç için kullanışsız hale getirdiğine dikkat çekti. On yıllar sonra, lazer ışık kaynaklarının ortaya çıkışı Michelson'ın itirazlarına cevap verdi.

Bir kolda figürlü bir referans aynanın kullanılması, Twyman-Green interferometresinin lensler veya teleskop aynaları gibi çeşitli optik bileşen formlarını test etmek için kullanılmasına izin verir. Şekil 6, bir merceği test etmek için kurulmuş bir Twyman-Green interferometresini göstermektedir. Noktasal monokromatik ışık kaynağı, uzaklaşan bir mercek (gösterilmemiştir) tarafından genişletilir, ardından paralel bir ışına yönlendirilir. Dışbükey bir küresel ayna, eğrilik merkezi test edilen merceğin odağı ile çakışacak şekilde konumlandırılır. Ortaya çıkan ışın, analiz için bir görüntüleme sistemi tarafından kaydedilir.

Lazer eşit olmayan yol interferometresi

"LUPI", tutarlı bir lazer ışık kaynağı kullanan bir Twyman-Green interferometresidir. Bir lazerin yüksek tutarlılık uzunluğu , test ve referans kollarında eşit olmayan yol uzunluklarına izin verir ve büyük optik bileşenlerin test edilmesinde Twyman-Green konfigürasyonunun ekonomik kullanımına izin verir. Benzer bir şema, Tajammal M tarafından doktora tezinde (Manchester University UK, 1995) bir LDA sisteminin iki kolunu dengelemek için kullanılmıştır. Bu sistem fiber optik yön kuplörü kullanmıştır.

yıldız ölçümleri

Michelson yıldız interferometre yıldızlı çapını ölçmek için kullanılır. 1920'de Michelson ve Francis G. Pease , güneşten başka bir yıldızın çapının ölçüldüğü ilk kez Betelgeuse'un çapını ölçmek için kullandı .

Yerçekimi dalgası algılama

Michelson interferometrisi, yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti için önde gelen yöntemdir . Bu, geçen güçlü bir yerçekimi dalgası nedeniyle, interferometrenin iki uzun kolunu eşit olmayan şekilde etkileyen, uzayın kendisindeki küçük gerilmelerin tespit edilmesini içerir . 2015 yılında yerçekimi dalgalarının ilk tespiti , Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi'ni oluşturan her biri 4 km kollu iki Michelson interferometresi kullanılarak gerçekleştirildi . Bu tahmin çekim dalgaların ilk deneysel doğrulama oldu Einstein 'in genel rölativite teorisinin . Avrupa'da Başak interferometresinin eklenmesiyle , üç dedektör arasındaki küçük varış zamanı farklarını kullanarak yerçekimi dalgalarının hangi yönden kaynaklandığını hesaplamak mümkün hale geldi. 2020'de Hindistan , yerçekimi dalgası tespiti için dördüncü bir Michelson interferometre inşa ediyordu.

Çeşitli uygulamalar

Şekil 7. Güneş yüzeyindeki gaz akışlarının hızını gösteren Heliosismik Manyetik Görüntüleyici (HMI) dopplergramı. Kırmızı, gözlemciden uzaktaki hareketi, mavi ise gözlemciye doğru hareketi gösterir.

Şekil 7 , Güneş yüzeyinin dopplergramlarını oluşturmak için ayarlanabilir bir dar bant filtre olarak bir Michelson interferometresinin kullanımını göstermektedir . Ayarlanabilir bir dar bant filtre olarak kullanıldığında, Michelson interferometreleri, Fabry-Pérot interferometreleri veya Lyot filtreleri gibi rakip teknolojilerle karşılaştırıldığında bir dizi avantaj ve dezavantaj sergiler . Michelson interferometreleri, belirli bir dalga boyu için en geniş görüş alanına sahiptir ve ayarlama, bir Fabry-Pérot sisteminde kullanılan piezoelektrik kristallerin veya lityum niyobat optik modülatörlerinin yüksek voltaj kontrolünden ziyade dalga plakalarının mekanik rotasyonu yoluyla yapıldığından, operasyonları nispeten basittir. . Çift kırılmalı elemanlar kullanan Lyot filtreleri ile karşılaştırıldığında, Michelson interferometreleri nispeten düşük sıcaklık hassasiyetine sahiptir. Negatif tarafta, Michelson interferometreleri nispeten sınırlı bir dalga boyu aralığına sahiptir ve iletimi kısıtlayan ön filtrelerin kullanılmasını gerektirir. Fabry-Pérot interferometrelerinin geniş dalga boyu aralığı ve genel basitliği, yer tabanlı sistemlerde kullanımlarını tercih ederken, Michelson interferometrelerinin güvenilirliği uzay uygulamalarında kullanımlarını destekleme eğiliminde olmuştur.

Şekil 8. Tek noktalı OCT'nin tipik optik kurulumu

Michelson interferometresinin bir başka uygulaması, iç doku mikro yapılarının tomografik görselleştirmesini sağlamak için düşük tutarlılık interferometri kullanan bir tıbbi görüntüleme tekniği olan optik koherens tomografidir (OCT). Şekil 8'de görüldüğü gibi, tipik bir OCT sisteminin çekirdeği bir Michelson interferometresidir. Bir interferometre kolu doku örneğine odaklanır ve numuneyi XY boylamsal raster modelinde tarar. Diğer interferometre kolu, bir referans aynasından sektirilir. Doku örneğinden yansıyan ışık, referanstan yansıyan ışıkla birleştirilir. Işık kaynağının düşük tutarlılığı nedeniyle, interferometrik sinyal sadece sınırlı bir numune derinliği üzerinde gözlemlenir. Bu nedenle XY taraması, bir seferde numunenin ince bir optik dilimini kaydeder. Birden fazla tarama gerçekleştirerek, referans aynayı her tarama arasında hareket ettirerek, dokunun üç boyutlu görüntüsünün tamamı yeniden oluşturulabilir. Son gelişmeler, tutarlı interferometrinin nanometre faz alımını düşük tutarlılık interferometrinin değişen kabiliyeti ile birleştirmeye çalışmıştır.

Diğer uygulamalar , DWDM ağlarında faz modülasyonunu genlik modülasyonuna dönüştüren gecikme hattı interferometresini , yüksek frekanslı devrelerin karakterizasyonunu ve düşük maliyetli THz güç üretimini içerir.

Atmosfer ve uzay uygulamaları

Michelson İnterferometre, hava ışıması ve aurora tayfındaki Doppler genişliklerini ve kaymalarını ölçerek, hem uzay kaynaklı hem de yer temelli enstrümanları kullanarak sıcaklıkları ve rüzgarları ortaya çıkaran üst atmosfer çalışmalarında önemli bir rol oynamıştır . Örneğin, Üst Atmosfer Araştırma Uydusu, UARS (12 Eylül 1991'de fırlatıldı) üzerindeki Rüzgar Görüntüleme İnterferometresi, WINDII, bu irtifalardan gelen görünür hava ışıma emisyonunu bir olarak kullanarak 80 ila 300 km arasındaki küresel rüzgar ve sıcaklık modellerini ölçtü. Hedef ve optik Doppler interferometri kullanarak, yayan türleri taşıyan atmosferin yığın hızı tarafından indüklenen dar atomik ve moleküler hava ışıması emisyon çizgilerinin küçük dalga boyu kaymalarını ölçmek için. Cihaz, tamamen cam alanla genişletilmiş, akromatik ve termal olarak dengelenmiş faz adımlı Michelson interferometresi ve interferometre aracılığıyla hava ışıma kolunu görüntüleyen çıplak bir CCD detektörüydü. Yatay rüzgar vektörünü veren iki dikey görünüm yönü için rüzgar hızını türetmek üzere bir faz adımlı görüntüler dizisi işlendi.

Dar bantlı bir filtre olarak polarize edici bir Michelson İnterferometre kullanma ilkesi ilk olarak, gelen ışığın bir Michelson küpünün iki yarısı arasına sıkıştırılmış bir polarize edici ışın ayırıcı tarafından iki ortogonal olarak polarize edilmiş bileşene bölündüğü çift-kırınımlı bir fotometre geliştiren Evans tarafından tanımlanmıştır. Bu, güneş gözlemleri için kullanılan Title ve Ramsey tarafından tanımlanan ilk polarize geniş alan Michelson interferometresine yol açtı; ve Küresel Salınımlar Ağı Grubu (GONG) olarak bilinen Dünya çevresinde bir gözlemevleri ağı kullanan, güneş atmosferindeki salınımların ölçümlerine uygulanan rafine bir aletin geliştirilmesine yol açtı.

Şekil 9. Güneş Dinamikleri Gözlemevi'ndeki Heliosismik ve Manyetik Görüntüleyici (HMI) tarafından görüntülendiği gibi, Güneş'in manyetik olarak yoğun alanları (aktif bölgeleri) siyah beyaz olarak gösteren manyetogramı (manyetik görüntü)

Bird ve diğerleri tarafından geliştirilen ve Spectral Imaging of the Atmosphere'de tartışılan Polarize Atmosferik Michelson Interferometer, PAMI, Title ve Ramsey'in polarizasyon ayarlama tekniğini Shepherd ve diğerleri ile birleştirir. ardışık yol farklarında emisyon oranı ölçümlerinden rüzgar ve sıcaklık türetme tekniği, ancak PAMI tarafından kullanılan tarama sistemi, hareketli ayna sistemlerinden çok daha basittir, çünkü dahili hareketli parçaları yoktur, bunun yerine interferometrenin dışında bir polarizör ile tarama yapar. PAMI, performansının bir Fabry-Pérot spektrometresi ile karşılaştırıldığı ve E-bölge rüzgarlarını ölçmek için kullanıldığı bir gözlem kampanyasında gösterildi.

Daha yakın zamanlarda, Solar Dynamics Observatory'deki Helioseismik ve Manyetik Görüntüleyici ( HMI ), güneş değişkenliğini incelemek ve Güneş'in içini manyetik aktivitenin çeşitli bileşenleri ile birlikte karakterize etmek için bir polarizör ve diğer ayarlanabilir elementlere sahip iki Michelson İnterferometresi kullanır. HMI, tüm görünür disk üzerinde boylamsal ve vektör manyetik alanın yüksek çözünürlüklü ölçümlerini alır, böylece selefi SOHO'nun MDI cihazının yeteneklerini genişletir (Bkz. Şekil 9). HMI, güneş değişkenliğinin iç kaynaklarını ve mekanizmalarını ve Güneş'in içindeki fiziksel süreçlerin yüzey manyetik alanı ve aktivitesi ile nasıl ilişkili olduğunu belirlemek için veri üretir. Ayrıca, genişletilmiş güneş atmosferindeki değişkenlik çalışmaları için koronal manyetik alan tahminlerini mümkün kılmak için veriler üretir. HMI gözlemleri, güneş değişkenliğini ve etkilerini anlamak için iç dinamikler ve manyetik aktivite arasındaki ilişkileri kurmaya yardımcı olacaktır.

MDI kullanımına ilişkin bir örnekte, Stanford bilim adamları, Güneş'in derin iç kısmında, güneş diskinde görünmelerinden 1-2 gün önce birkaç güneş lekesi bölgesinin tespit edildiğini bildirdiler. Güneşin iç kısmındaki güneş lekelerinin tespiti, uzay hava tahminlerinin tahminlerini geliştirmek ve genişletmek için kullanılabilecek yaklaşan yüzey manyetik aktivitesi hakkında değerli uyarılar sağlayabilir.

Teknik konular

Adım fazlı interferometre

Bu, bir koldaki aynanın bir Gires-Tournois etalon ile değiştirildiği bir Michelson interferometresidir . Gires-Tournois etalonu tarafından yansıtılan oldukça dağınık dalga, diğer ayna tarafından yansıyan orijinal dalga ile girişim yapar. Gires-Tournois etalonundan faz değişimi dalga boyunun neredeyse adım benzeri bir fonksiyonu olduğundan, ortaya çıkan interferometrenin özel karakteristikleri vardır. Optik serpiştirici olarak fiber optik iletişimde bir uygulaması vardır .

Michelson interferometresindeki her iki ayna da Gires–Tournois etalonları ile değiştirilebilir. Fazın dalga boyuna olan adım benzeri ilişkisi böylece daha belirgindir ve bu, asimetrik bir optik serpiştirici oluşturmak için kullanılabilir.

Faz eşlenik interferometri

İki ışık demetinin faz eşlenik aynasından yansıması, faz farklarını zıt olana çevirir . Bu nedenle, ikiz ışınlı interferometredeki girişim deseni büyük ölçüde değişir. Yarım dalga boyu periyoduna sahip geleneksel Michelson girişim eğrisi ile karşılaştırıldığında :

,

ikinci dereceden korelasyon fonksiyonu nerede , faz eşlenik interferometredeki girişim eğrisi , yansıyan ışınların frekans kayması tarafından tanımlanan çok daha uzun bir periyoda sahiptir :

, optik yol farkı ışık huzmelerinin tutarlılık uzunluğunu aştığında görünürlük eğrisi sıfır değildir . Optik faz eşlenik aynadaki faz dalgalanmalarının önemsiz özellikleri, iki bağımsız PC aynalı Michelson interferometresi aracılığıyla incelenmiştir. Faz eşlenik Michelson interferometrisi, lazer yükselteçlerinin tutarlı bir şekilde toplanması için umut verici bir teknolojidir. Faz konjugasyonu ile senkronize edilmiş lazer ışınlarının ışın ayırıcılarını içeren bir dizideki yapıcı girişim , güçlendirilmiş ışınların parlaklığını .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar