Что такое интерферометры? Виды, принцип работы

Виды интерферометров, где применяются, принцип работы

Интерферометр - это оптическое устройство, которое использует эффект интерференции. Это можно сделать с помощью различных видов излучения, но в этой статье конкретно рассматриваются оптические интерферометры, то есть интерферометр для света. 

Обычно такое устройство основано на следующем принципе работы:

• входной луч разбибает его на два отдельных луча с помощью какого-либо светоделителя (частично пропускающего зеркала);
• подвергает некоторые из этих лучей некоторым внешним воздействиям (например, некоторым изменениям длины или изменение показателя преломления в прозрачной среде) и рекомбинирует лучи на другом светоделителе;
• затем мощность или пространственная форма результирующего луча могут быть использованы, например, для измерения.

Интерферометры часто необходимо изготавливать из высококачественных оптических элементов. Например, часто используются зеркала и оптические пластины с высокой степенью плоскостности поверхности.

Типы интерферометров

Интерферометр Маха–Цендера

Интерферометр Маха–Цендера был разработан физиками Людвигом Махом и Людвигом Цендером. Он использует два отдельных светоделителя (BS) для разделения и рекомбинации лучей и имеет два выхода, которые могут, например, передаваться на фотоприемники. Длины оптического пути в двух плечах могут быть почти одинаковыми или могут отличаться (например, с дополнительной линией задержки). Распределение оптических мощностей на двух выходах зависит от точной разницы в длинах оптических плеч и от длины волны (или оптической частоты).

Если интерферометр хорошо выровнен, разницу в длине пути можно отрегулировать, слегка сдвинув одно из зеркал, чтобы для определенной оптической частоты общая мощность поступала на один из выходов. 

Для смещенных лучей при небольшом наклоне одного зеркала на обоих выходах будут некоторые узоры полос. Изменения разницы в длине пути влияют главным образом на форму этих интерференционных картин, тогда как распределение суммарной мощности на выходах может измениться не очень сильно.

Интерферометр Майкельсона

Изобретенный Альбертом Абрахамом Майкельсоном, использует один светоделитель для разделения и рекомбинации лучей. Если два зеркала выровнены для точного перпендикулярного падения, доступен только один выход, а свет другого выхода возвращается к источнику света. 

Если эта оптическая обратная связь нежелательна (как это часто бывает с лазером, который может быть дестабилизирован), и /или требуется доступ ко второму выходу, рекомбинация лучей может происходить в несколько ином месте светоделителя. 

Одним из возможных вариантов является использование световозвращателей. Это также имеет то преимущество, что интерферометр довольно нечувствителен к небольшому смещению световозвращателей. В качестве альтернативы можно использовать простые зеркала с немного ненормальным падением.

Если разница в длине пути отлична от нуля, конструктивные или деструктивные помехи, могут быть достигнуты только в пределах конечной оптической полосы пропускания. Майкельсон первоначально использовал широкополосный источник света в знаменитом эксперименте Майкельсона–Морли, так что ему пришлось построить интерферометр с разницей длин плеч, близкой к нулю.

Существует множество вариаций интерферометра Майкельсона. Например, интерферометр Тваймена-Грина по сути является интерферометром М. с расширенными лучами в его плечах. Он используется для характеристики оптических элементов.

Интерферометры Тваймена–Грина

Названные в честь Фрэнка Тваймена и Артура Грина, представляют собой устройства, которые используются для характеристики оптических поверхностей.

Оптическая установка аналогична установке интерферометра Майкельсона, но интерферометр Тваймена–Грина работает с коллимированными пучками, которые расширяются до значительного диаметра. В простейшем случае такой расширенный луч направляется непосредственно на контролируемую поверхность. Результат - интерференционная картина отображается таким образом, что ее можно либо непосредственно наблюдать через окуляр, либо регистрировать с помощью монохромного электронного датчика изображения.

Контролируемая поверхность может быть поверхностью зеркала или какого-либо другого оптического элемента. Для использования в качестве торцевого зеркала требуется только значительная отражательная способность поверхности, и не должно быть дополнительного отражения, которое могло бы испортить интерференционную картину. 

Некоторые элементы (например, линзы, призмы и зеркальные подложки) также могут быть вставлены на пути луча для контроля при передаче. Они комбинируются с зеркалом подходящего типа. Это также может работать, например, с объективами микроскопа.

Если исследуемая поверхность не является плоской, оптические волновые фронты должны быть приблизительно подобраны к ней. Например, с использованием одной или нескольких линз или изогнутых зеркал. В противном случае результирующие полосы помех могут располагаться слишком близко друг от друга, чтобы их можно было наблюдать. 

В некоторых случаях необходимо вставить другой расширитель луча перед объектом тестирования, чтобы получить изображение большей площади на объекте.

Для проверки асферической оптики обычно требуется высококачественная опорная поверхность (например, из оптического плоского). Тем самым можно проверять другие устройства, поскольку отклонение от сферического зеркала, например, может быть слишком большим для измерения.

Проверяемая поверхность должна быть отображена на детекторе таким образом, чтобы каждая точка на изображении соответствовала точке на проверяемой поверхности.

Испытуемый объект или эталонное зеркало намеренно наклоняют очень слегка, чтобы получить интерференционную картину с правильными полосками с соответствующим интервалом. 

Эти полосы являются идеальными линиями, если испытательная поверхность точно совпадает с контрольной поверхностью. Любые отклонения между формами поверхности приводят к искажению этих полос (кривые Физо). Для топографических отклонений нескольких длин волн можно просто посчитать количество полос, чтобы измерить высоту.

Используемое эталонное зеркало, а также светоделитель и другие оптические компоненты должны иметь очень высокое оптическое качество, чтобы любые наблюдаемые искажения были вызваны только несовершенствами исследуемых объектов.

Записанные цифровые изображения могут быть более тщательно проанализированы с помощью подходящего компьютерного программного обеспечения, которое может позволить проводить детальные измерения отклонений формы поверхности.

Интерферометр Фабри–Перо

Прибор состоит из двух параллельных зеркал, позволяющих многократно пропускать свет. Монолитной версией этого может быть стеклянная пластина с отражающими покрытиями с обеих сторон. Для высокой зеркальной отражательной способности такое устройство может иметь очень резкие резонансы (высокую тонкость), т. е. демонстрировать высокий коэффициент пропускания только для оптических частот, которые близко соответствуют определенным значениям. 

На основе этих четких характеристик расстояния могут быть измерены с разрешением, намного лучшим, чем длина волны. Аналогичным образом, резонансные частоты могут быть определены очень точно. Модифицированной версией является интерферометр Физо, который используется для характеристики оптических поверхностей.

Другим специальным типом интерферометра Фабри–Перо, используемого для компенсации дисперсии, является интерферометр Жиреса-Турнуа.

Интерферометры Физо

Названные в честь Ипполита Физо, являются распространенным типом интерферометров, которые используются для характеристики оптических поверхностей, например, зеркал или призм.

Принцип работы

Один использует интерференцию между отражениями на испытательной поверхности и близлежащей опорной поверхности. Опорная поверхность представляет собой правую поверхность оптического диска, имеющую особенно высокую плоскостность, а также в остальном высокое качество поверхности. 

Обычно эталонная поверхность слегка наклонена (например, регулируется с помощью микрометрического винта) относительно тестируемой поверхности, так что для идеального качества поверхности можно получить регулярный рисунок прямых интерференционных полос (полос). Любые отклонения между формами поверхности приводят к искажению этих полос (кривые Физо).

Тестируемая поверхность не обязательно должна обладать высокой отражающей способностью. Ее отражательная способность должна быть достаточно высокой, чтобы получить четкую интерференционную картину.

Влияние отражений от левой стороны оптического диска может быть сведено к минимуму с помощью антиблткового покрытия, с клиновидной формой оптического диска и, кроме того, иногда с использованием ограниченной длины когерентности используемого света.

Используемым источником света может быть лазер, но можно также использовать и другие источники света, такие как газовые лампы. Свет не обязательно должен быть сильно монохроматическим, если расстояние между испытательной поверхностью и контрольной поверхностью мало.

Интерферометр Саньяка

Названный в честь французского физика Жоржа Саньяка использует встречные лучи в кольцевой траектори. Если весь интерферометр вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа, это приводит к относительному сдвигу фаз встречных лучей (эффект Саньяка). 

Чувствительность к поворотам зависит от площади, покрываемой кольцом, умноженной на количество обходов (которое может быть большим, например, при использовании многих витков в оптическом волокне). Можно, например, получить чувствительность, достаточную для измерения вращения Земли вокруг своей оси. Интерферометры Саньяка используются в инерциальных системах наведения.

Интерферометры с общим трактом

Используют общий путь луча, но разные состояния поляризации для двух лучей. Это имеет преимущество, что колебания геометрической длины пути не влияют на выходной сигнал интерферометра, он же может быть чувствительным детектором. Другим примером является интерферометр Саньяка. Здесь интерферирующие лучи имеют противоположные направления распространения.

Волоконные интерферометры

Все типы интерферометров, рассмотренные выше, также могут быть реализованы с использованием оптических. Вместо светоделителей используются волоконные ответвители.

Потенциальная трудность заключается в том, что состояние поляризации света может изменяться во время распространения в волокне. Для этого часто требуется включить контроллер поляризации волокна (который иногда может потребоваться перенастройка) или использовать волокна, поддерживающие поляризацию.

Также обратите внимание, что изменения температуры в волокнах (а также изгиб) могут влиять на оптические фазовые сдвиги. Это может быть проблемой, если разные волокна принадлежат к разным плечам интерферометра. Однако существуют также волоконные интерферометры, в которых одно волокно служит для обоих плеч, например, с использованием двух разных направлений поляризации в одном и том же волокне.

Физические принципы интерферометров

Существуют также существенно отличающиеся принципы использования интерферометров. Например, интерферометры Майкельсона используются по-разному, с использованием разных типов источников света и фотоприемников:

• Когда используется источник света с низкой оптической полосой пропускания, сигнал детектора периодически меняется при изменении разницы в длинах плеч. Такой сигнал позволяет проводить измерения с разрешением по глубине значительно ниже длины волны, но при этом возникает двусмысленность. Например, монотонное увеличение или уменьшение разности длин плеч приводит к одному и тому же изменению обнаруженного сигнала. Эта проблема может быть решена путем модуляции разницы в длине рычага, например, с помощью вибрирующего зеркала (или оптический модулятор) и путем мониторинга результирующей модуляции на детекторе в дополнение к средней мощности сигнала. Одновременная работа интерферометра с двумя длинами волн - еще один способ устранения двусмысленности.
• Если детектор представляет собой своего рода камеру (например, ПЗС-матрицу), а контролируемые поверхности достаточно гладкие, фазовый профиль (и, следовательно, профиль длины оптического пути) может быть восстановлен путем записи нескольких изображений с различными общими фазовыми сдвигами (фазосдвигающая интерферометрия). Алгоритм разворачивания фазы может быть использован для однозначного получения карт поверхности, простирающихся более чем на длину волны. Однако такие методы могут не работать на шероховатых поверхностях или на поверхностях с крутыми ступенями.
• Интерферометр белого света использует широкополосный источник света (например, суперлюминесцентный диодс), так что интерференционные полосы наблюдаются только в узком диапазоне вокруг точки нулевой разницы длин плеч. Таким образом, вышеупомянутая двусмысленность эффективно устраняется.
• Для записи сигнала детектора для различных оптических частот может использоваться лазер с перестройкой по длтне волны. Из таких сигналов можно однозначно определить разницу в длине плеч. Это работает также с двумерными детекторами (например, ПЗС-камерами).
• Если одно из зеркал намеренно наклонено, получается картина интерференционной полосы. Любое изменение разницы в длине плеч приведет к смещению узора полос. Этот метод позволяет чувствительно измерять изменения фазы, а также измерять изменения фазы, зависящие от положения, например, в каком-либо оптическом элементе.
• Вместо измерения расстояний можно использовать интерферометры для характеристики света. Например, оптический спектр может быть получен путем измерения сигнала детектора в зависимости от разности длин плеч и применения преобразования Фурье. Можно также извлекать зависящие от длины волны фазовые сдвиги, например, для измерения хроматической дисперсии оптических элементов.

Другой класс интерферометрических методов называется спектральной фазовой интерферометрией. Здесь используются помехи в спектральной области. Период спектральной модуляции по существу определяется временной задержкой.