Interferômetro de Michelson - Michelson interferometer

Figura 1. Um interferômetro de Michelson básico, sem fonte óptica e detector.
Esta imagem demonstra um interferômetro de Michelson simples, mas típico. A linha amarela brilhante indica o caminho da luz.

O interferômetro de Michelson é uma configuração comum para interferometria óptica e foi inventado pelo físico americano do século 19/20, Albert Abraham Michelson . Usando um divisor de feixe , uma fonte de luz é dividida em dois braços. Cada um desses feixes de luz é refletido de volta para o divisor de feixe, que então combina suas amplitudes usando o princípio de superposição . O padrão de interferência resultante que não é direcionado de volta para a fonte é normalmente direcionado para algum tipo de detector fotoelétrico ou câmera . Para diferentes aplicações do interferômetro, os dois caminhos de luz podem ter comprimentos diferentes ou incorporar elementos ópticos ou mesmo materiais em teste.

O interferômetro de Michelson (entre outras configurações de interferômetro) é empregado em muitos experimentos científicos e tornou-se conhecido por seu uso por Michelson e Edward Morley no famoso experimento de Michelson-Morley (1887) em uma configuração que teria detectado o movimento da Terra através do suposto éter luminífero que a maioria dos físicos da época acreditava ser o meio pelo qual as ondas de luz se propagavam . O resultado nulo desse experimento refutou essencialmente a existência de tal éter, levando eventualmente à teoria da relatividade especial e à revolução da física no início do século XX. Em 2015, outra aplicação do interferômetro de Michelson, o LIGO , fez a primeira observação direta de ondas gravitacionais . Essa observação confirmou uma previsão importante da relatividade geral , validando a previsão da teoria da distorção do espaço-tempo no contexto de eventos cósmicos de grande escala (conhecidos como testes de campo forte ).

Configuração

Figura 2. Caminho da luz no interferômetro de Michelson.

Um interferómetro de Michelson consiste pelo menos de espelhos M 1 & M 2 e um divisor de feixe M . Na figura 2, uma fonte S emite luz que atinge o divisor de feixe (neste caso, um separador de feixe placa) superfície H no ponto C . M é parcialmente reflector, de modo que parte da luz é transmitida através do ponto B ao passo que outra parte é reflectida na direcção de uma . Ambos os feixes se recombinam no ponto C ' para produzir um padrão de interferência incidente no detector no ponto E (ou na retina do olho de uma pessoa). Se houver um leve ângulo entre os dois feixes de retorno, por exemplo, um detector de imagem registrará um padrão de franja sinusoidal como mostrado na Fig. 3b. Se houver alinhamento espacial perfeito entre os feixes de retorno, então não haverá tal padrão, mas sim uma intensidade constante sobre o feixe dependente do comprimento do caminho diferencial; isso é difícil, exigindo um controle muito preciso dos caminhos do feixe.

A Fig. 2 mostra o uso de uma fonte coerente (laser). Luz espectral de banda estreita de uma descarga ou mesmo luz branca também pode ser usada, no entanto, para obter contraste de interferência significativo, é necessário que o comprimento do caminho diferencial seja reduzido abaixo do comprimento de coerência da fonte de luz. Isso pode ser apenas micrômetros para a luz branca, conforme discutido abaixo.

Se um divisor de feixe sem perdas for empregado, pode-se mostrar que a energia óptica é conservada . Em cada ponto do padrão de interferência, a energia que não é direcionada ao detector em E está bastante presente em um feixe (não mostrado) retornando na direção da fonte.

Figura 3. Formação de franjas em um interferômetro de Michelson
Esta foto mostra o padrão de franja formado pelo interferômetro de Michelson, usando luz monocromática (linhas D de sódio).

Conforme mostrado na Fig. 3a e 3b, o observador tem uma visão direta do espelho M 1 visto através do divisor de feixe, e vê uma imagem refletida M ' 2 do espelho M 2 . As franjas pode ser interpretado como o resultado da interferência entre a luz vinda das duas imagens virtuais S ' 1 e S' 2 da fonte original S . As características do padrão de interferência dependem da natureza da fonte de luz e da orientação precisa dos espelhos e do divisor de feixe. Na Fig. 3a, os elementos ópticos estão orientadas de modo a que S ' 1 e S' 2 estão em linha com o observador, e o padrão de interferência resultante consiste de círculos centrados sobre o normal a M 1 e M' 2 (franjas de igual inclinação ) Se, como na Fig. 3b, M 1 e M ' 2 são inclinados em relação um ao outro, as franjas de interferência geralmente assumirão a forma de seções cônicas (hipérboles), mas se M 1 e M' 2 se sobrepõem, as franjas próximas o eixo será reto, paralelo e igualmente espaçado (franjas de igual espessura). Se S é uma fonte estendida ao invés de uma fonte pontual como ilustrado, as franjas da Fig. 3a devem ser observadas com um telescópio ajustado no infinito, enquanto as franjas da Fig. 3b serão localizadas nos espelhos.

Largura de banda de origem

Figura 4. Interferômetros de Michelson usando uma fonte de luz branca

A luz branca tem um comprimento de coerência minúsculo e é difícil de usar em um interferômetro Michelson (ou Mach-Zehnder ). Mesmo uma fonte espectral de banda estreita (ou "quase monocromática") requer atenção cuidadosa às questões de dispersão cromática quando usada para iluminar um interferômetro. Os dois caminhos ópticos devem ser praticamente iguais para todos os comprimentos de onda presentes na fonte. Este requisito pode ser atendido se ambos os caminhos de luz cruzarem uma espessura igual de vidro da mesma dispersão . Na Fig. 4a, o feixe horizontal cruza o divisor de feixe três vezes, enquanto o feixe vertical cruza o divisor de feixe uma vez. Para equalizar a dispersão, uma chamada placa de compensação idêntica ao substrato do divisor de feixe pode ser inserida no caminho do feixe vertical. Na Fig. 4b, vemos que o uso de um divisor de feixe de cubo já equaliza os comprimentos de caminho no vidro. A necessidade de equalização de dispersão é eliminada pelo uso de luz de banda extremamente estreita de um laser.

A extensão das franjas depende do comprimento de coerência da fonte. Na Fig. 3b, a luz amarela de sódio usada para a ilustração da franja consiste em um par de linhas bem espaçadas, D 1 e D 2 , o que implica que o padrão de interferência ficará borrado após várias centenas de franjas. Os lasers de modo longitudinal único são altamente coerentes e podem produzir interferência de alto contraste com comprimentos de caminho diferenciais de milhões ou até bilhões de comprimentos de onda. Por outro lado, usando luz branca (banda larga), a franja central é nítida, mas longe da franja central as franjas são coloridas e rapidamente se tornam indistintas a olho nu.

Os primeiros experimentalistas que tentaram detectar a velocidade da Terra em relação ao suposto éter luminífero , como Michelson e Morley (1887) e Miller (1933), usaram luz quase monocromática apenas para o alinhamento inicial e equalização do caminho aproximado do interferômetro. Depois disso, eles mudaram para luz branca (banda larga), já que usando interferometria de luz branca eles podiam medir o ponto de equalização de fase absoluta (ao invés do módulo de fase 2π), definindo assim os caminhos de caminho dos dois braços iguais. Mais importante ainda, em um interferômetro de luz branca, qualquer "salto de franja" subsequente (deslocamento de comprimento de onda diferencial de um comprimento de onda) sempre seria detectado.

Formulários

Figura 5. Espectroscopia de transformada de Fourier.

A configuração do interferômetro de Michelson é usada em várias aplicações diferentes.

Espectrômetro de transformada de Fourier

Artigo principal: Espectroscopia de transformada de Fourier

A Fig. 5 ilustra a operação de um espectrômetro de transformada de Fourier, que é essencialmente um interferômetro de Michelson com um espelho móvel. (Um espectrômetro de transformada de Fourier prático substituiria os refletores de cubo de canto pelos espelhos planos do interferômetro de Michelson convencional, mas para simplificar, a ilustração não mostra isso.) Um interferograma é gerado fazendo medições do sinal em muitas posições discretas do movimento espelho. Uma transformada de Fourier converte o interferograma em um espectro real. Os espectrômetros de transformada de Fourier podem oferecer vantagens significativas sobre os espectrômetros dispersivos (ou seja, grade e prisma) sob certas condições. (1) O detector do interferômetro Michelson monitora todos os comprimentos de onda simultaneamente durante toda a medição. Ao usar um detector ruidoso, como em comprimentos de onda infravermelhos, isso oferece um aumento na relação sinal-ruído ao usar apenas um único elemento detector; (2) o interferômetro não requer uma abertura limitada como os espectrômetros de grade ou prisma, que exigem que a luz que entra passe por uma fenda estreita a fim de alcançar alta resolução espectral. Esta é uma vantagem quando a luz que entra não é de um único modo espacial. Para obter mais informações, consulte a vantagem de Fellgett .

Interferômetro Twyman-Green

Figura 6. Interferômetro Twyman-Green.

O interferômetro Twyman-Green é uma variação do interferômetro Michelson usado para testar pequenos componentes ópticos, inventado e patenteado por Twyman e Green em 1916. As características básicas que o distinguem da configuração de Michelson são o uso de uma fonte de luz pontual monocromática e um colimador . Michelson (1918) criticou a configuração Twyman-Green como inadequada para o teste de grandes componentes ópticos, uma vez que as fontes de luz disponíveis tinham comprimento de coerência limitado . Michelson apontou que as restrições na geometria forçadas pelo comprimento de coerência limitado exigiam o uso de um espelho de referência de tamanho igual ao do espelho de teste, tornando o Twyman-Green impraticável para muitos propósitos. Décadas depois, o advento das fontes de luz laser respondeu às objeções de Michelson.

O uso de um espelho de referência figurado em um braço permite que o interferômetro Twyman-Green seja usado para testar várias formas de componentes ópticos, como lentes ou espelhos telescópicos. A Fig. 6 ilustra um interferômetro Twyman-Green configurado para testar uma lente. Uma fonte pontual de luz monocromática é expandida por uma lente divergente (não mostrada) e, em seguida, é colimada em um feixe paralelo. Um espelho esférico convexo é posicionado de forma que seu centro de curvatura coincida com o foco da lente que está sendo testada. O feixe emergente é registrado por um sistema de imagem para análise.

Interferômetro de caminho desigual a laser

O "LUPI" é um interferômetro Twyman-Green que usa uma fonte de luz laser coerente. O comprimento de alta coerência de um laser permite percursos desiguais nos braços de teste e de referência e permite o uso econômico da configuração Twyman-Green no teste de grandes componentes ópticos. Um esquema semelhante foi usado por Tajammal M em sua tese de doutorado (Manchester University UK, 1995) para equilibrar dois braços de um sistema LDA. Este sistema usava acoplador de direção de fibra óptica.

Medidas estelares

O interferômetro estelar Michelson é usado para medir o diâmetro das estrelas. Em 1920, Michelson e Francis G. Pease o usaram para medir o diâmetro de Betelgeuse , a primeira vez que o diâmetro de uma estrela diferente do sol foi medido.

Detecção de onda gravitacional

A interferometria de Michelson é o método líder para a detecção direta de ondas gravitacionais . Isso envolve a detecção de pequenas tensões no próprio espaço, afetando desigualmente dois longos braços do interferômetro, devido a uma forte onda gravitacional que passa. Em 2015 foi realizada a primeira detecção de ondas gravitacionais por meio dos dois interferômetros Michelson, cada um com braços de 4 km, que compõem o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser . Esta foi a primeira validação experimental de ondas gravitacionais, previsto por Albert Einstein da teoria geral da relatividade . Com a adição do interferômetro de Virgem na Europa, tornou-se possível calcular a direção de origem das ondas gravitacionais, usando as pequenas diferenças de tempo de chegada entre os três detectores. Em 2020, a Índia estava construindo um quarto interferômetro Michelson para detecção de ondas gravitacionais.

Aplicativos diversos

Figura 7. Dopplergram do Helioseismic Magnetic Imager (HMI) mostrando a velocidade dos fluxos de gás na superfície solar. Vermelho indica movimento para longe do observador e azul indica movimento em direção ao observador.

A Fig. 7 ilustra o uso de um interferômetro de Michelson como um filtro de banda estreita ajustável para criar dopplergramas da superfície solar. Quando usados ​​como um filtro de banda estreita ajustável, os interferômetros de Michelson exibem uma série de vantagens e desvantagens quando comparados com tecnologias concorrentes, como interferômetros Fabry-Pérot ou filtros Lyot . Os interferômetros de Michelson têm o maior campo de visão para um comprimento de onda especificado e são relativamente simples de operação, uma vez que o ajuste é feito por meio da rotação mecânica das placas de onda, em vez do controle de alta tensão de cristais piezoelétricos ou moduladores ópticos de niobato de lítio usados ​​em um sistema Fabry-Pérot . Em comparação com os filtros Lyot, que usam elementos birrefringentes, os interferômetros de Michelson têm uma sensibilidade de temperatura relativamente baixa. Do lado negativo, os interferômetros de Michelson têm uma faixa de comprimento de onda relativamente restrita e requerem o uso de pré-filtros que restringem a transmitância. A confiabilidade dos interferômetros Michelson tende a favorecer seu uso em aplicações espaciais, enquanto a ampla faixa de comprimento de onda e a simplicidade geral dos interferômetros Fabry-Pérot favorecem seu uso em sistemas baseados em solo.

Figura 8. Configuração óptica típica de OCT de ponto único

Outra aplicação do interferômetro de Michelson é na tomografia de coerência óptica (OCT), uma técnica de imagem médica que usa interferometria de baixa coerência para fornecer visualização tomográfica de microestruturas teciduais internas. Conforme visto na Fig. 8, o núcleo de um sistema OCT típico é um interferômetro de Michelson. Um braço de interferômetro é focalizado na amostra de tecido e faz a varredura da amostra em um padrão de varredura longitudinal XY. O outro braço do interferômetro é refletido em um espelho de referência. A luz refletida da amostra de tecido é combinada com a luz refletida da referência. Devido à baixa coerência da fonte de luz, o sinal interferométrico é observado apenas em uma profundidade limitada de amostra. A varredura XY, portanto, registra uma fatia óptica fina da amostra por vez. Ao realizar múltiplas varreduras, movendo o espelho de referência entre cada varredura, uma imagem tridimensional inteira do tecido pode ser reconstruída. Avanços recentes têm se esforçado para combinar a recuperação de fase nanométrica da interferometria coerente com a capacidade de alcance da interferometria de baixa coerência.

Outras aplicações incluem interferômetro de linha de atraso que converte a modulação de fase em modulação de amplitude em redes DWDM , a caracterização de circuitos de alta frequência e geração de energia THz de baixo custo.

Aplicações atmosféricas e espaciais

O interferômetro de Michelson tem desempenhado um papel importante nos estudos da alta atmosfera , revelando temperaturas e ventos, empregando instrumentos terrestres e espaciais, medindo as larguras Doppler e as mudanças nos espectros de airglow e aurora. Por exemplo, o Wind Imaging Interferometer, WINDII, no Upper Atmosphere Research Satellite, UARS, (lançado em 12 de setembro de 1991) mediu os padrões globais de vento e temperatura de 80 a 300 km usando a emissão de luminescência visível dessas altitudes como um alvo e empregando interferometria Doppler óptica para medir as pequenas mudanças de comprimento de onda das estreitas linhas de emissão de luminescência atômica e molecular induzidas pela velocidade de massa da atmosfera que transporta as espécies emissoras. O instrumento era um interferômetro de Michelson com escalonamento de fase totalmente compensado acromático e termicamente compensado, junto com um detector CCD vazio que captava imagens do membro do airglow por meio do interferômetro. Uma sequência de imagens em fases foi processada para derivar a velocidade do vento para duas direções de visão ortogonal, produzindo o vetor de vento horizontal.

O princípio de usar um interferômetro polarizador de Michelson como um filtro de banda estreita foi descrito pela primeira vez por Evans, que desenvolveu um fotômetro birrefringente em que a luz que entra é dividida em dois componentes polarizados ortogonalmente por um divisor de feixe de polarização, imprensado entre duas metades de um cubo de Michelson. Isso levou ao primeiro interferômetro de polarização de campo amplo de Michelson, descrito por Title e Ramsey, que foi usado para observações solares; e levou ao desenvolvimento de um instrumento refinado aplicado a medições de oscilações na atmosfera do Sol, empregando uma rede de observatórios ao redor da Terra conhecida como Global Oscillations Network Group (GONG).

Figura 9. Magnetograma (imagem magnética) do Sol mostrando áreas magneticamente intensas (regiões ativas) em preto e branco, conforme imageado pelo Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) no Solar Dynamics Observatory

O Polarizing Atmospheric Michelson Interferometer, PAMI, desenvolvido por Bird et al., E discutido em Spectral Imaging of the Atmosphere , combina a técnica de ajuste de polarização de Title e Ramsey com o Shepherd et al. técnica de derivar ventos e temperaturas de medições de taxa de emissão em diferenças de caminho sequencial, mas o sistema de varredura usado pelo PAMI é muito mais simples do que os sistemas de espelho móvel, pois não possui partes móveis internas, em vez de escanear com um polarizador externo ao interferômetro. O PAMI foi demonstrado em uma campanha de observação onde seu desempenho foi comparado a um espectrômetro Fabry-Pérot e empregado para medir os ventos da região E.

Mais recentemente, o Helioseismic and Magnetic Imager ( HMI ), do Solar Dynamics Observatory , emprega dois interferômetros Michelson com um polarizador e outros elementos sintonizáveis, para estudar a variabilidade solar e caracterizar o interior do Sol juntamente com os vários componentes da atividade magnética. O HMI faz medições de alta resolução do campo magnético longitudinal e vetorial ao longo de todo o disco visível, estendendo assim as capacidades de seu predecessor, o instrumento MDI do SOHO (ver Fig. 9). O HMI produz dados para determinar as fontes e mecanismos internos da variabilidade solar e como os processos físicos dentro do Sol estão relacionados ao campo magnético de superfície e à atividade. Ele também produz dados para permitir estimativas do campo magnético coronal para estudos de variabilidade na atmosfera solar estendida. As observações do HMI ajudarão a estabelecer as relações entre a dinâmica interna e a atividade magnética para entender a variabilidade solar e seus efeitos.

Em um exemplo do uso do MDI, os cientistas de Stanford relataram a detecção de várias regiões de manchas solares no interior profundo do Sol, 1–2 dias antes de aparecerem no disco solar. A detecção de manchas solares no interior solar pode, assim, fornecer avisos valiosos sobre a próxima atividade magnética de superfície que pode ser usada para melhorar e estender as previsões das previsões do tempo espacial.

Tópicos técnicos

Interferômetro de fase

Este é um interferômetro de Michelson no qual o espelho em um braço é substituído por um Gires-Tournois etalon . A onda altamente dispersa refletida pelo etalon Gires – Tournois interfere na onda original refletida pelo outro espelho. Como a mudança de fase do etalon Gires – Tournois é uma função quase escalonada do comprimento de onda, o interferômetro resultante tem características especiais. Tem aplicação em comunicações de fibra ótica como intercalador ótico .

Ambos os espelhos em um interferômetro de Michelson podem ser substituídos por Gires – Tournois etalons. A relação de fase em relação ao comprimento de onda é, portanto, mais pronunciada e pode ser usada para construir um intercalador óptico assimétrico.

Interferometria de conjugação de fase

A reflexão do espelho de conjugação de fase de dois feixes de luz inverte sua diferença de fase para o oposto . Por esta razão, o padrão de interferência no interferômetro de feixe duplo muda drasticamente. Em comparação com a curva de interferência de Michelson convencional com período de meio comprimento de onda :

,

onde é uma função de correlação de segunda ordem, a curva de interferência no interferômetro de conjugação de fase tem um período muito mais longo definido pela mudança de frequência de feixes refletidos:

, onde a curva de visibilidade é diferente de zero quando a diferença do caminho óptico excede o comprimento de coerência dos feixes de luz. As características não triviais das flutuações de fase no espelho óptico de conjugação de fases foram estudadas por meio do interferômetro de Michelson com dois espelhos PC independentes. A interferometria de Michelson com conjugação de fases é uma tecnologia promissora para soma coerente de amplificadores de laser. A interferência construtiva em uma matriz contendo divisores de feixes de feixes de laser sincronizados por conjugação de fase pode aumentar o brilho de feixes amplificados como .

Veja também

Notas

Referências

links externos