Interferometrie - Interferometry
Interferometrie ist eine Technik, bei der Wellen überlagert werden , um das Phänomen der Interferenz zu verursachen , das verwendet wird, um Informationen zu extrahieren. Interferometrie verwendet typischerweise elektromagnetische Wellen und ist eine wichtige Untersuchungstechnik in den Bereichen Astronomie , Faseroptik , technische Messtechnik , optische Messtechnik, Ozeanographie , Seismologie , Spektroskopie (und ihre Anwendungen in der Chemie ), Quantenmechanik , Kern- und Teilchenphysik , Plasmaphysik , Fernerkundung , biomolekulare Wechselwirkungen , Oberflächenprofilierung , Mikrofluidik , mechanische Spannungs-/Dehnungsmessung , Geschwindigkeitsmessung , Optometrie und Hologrammerstellung .
Interferometer sind Geräte, die Informationen aus Interferenzen extrahieren. Sie werden in Wissenschaft und Industrie häufig zur Messung von mikroskopischen Verschiebungen, Brechungsindexänderungen und Oberflächenunregelmäßigkeiten verwendet. Bei den meisten Interferometern wird Licht von einer einzigen Quelle in zwei Strahlen aufgeteilt, die sich in unterschiedlichen optischen Pfaden bewegen , die dann wieder kombiniert werden, um Interferenz zu erzeugen; unter Umständen können aber auch zwei inkohärente Quellen zur Interferenz gebracht werden. Die resultierenden Interferenzstreifen geben Aufschluss über den Unterschied der optischen Weglängen . In der analytischen Wissenschaft werden Interferometer verwendet, um Längen und die Form optischer Komponenten mit Nanometer-Präzision zu messen; sie sind die höchstpräzisen Längenmessgeräte, die es gibt. In der Fourier-Transformations-Spektroskopie werden sie verwendet, um Licht zu analysieren, das Absorptions- oder Emissionsmerkmale enthält, die mit einer Substanz oder einem Gemisch verbunden sind. Ein astronomisches Interferometer besteht aus zwei oder mehr separaten Teleskopen, die ihre Signale kombinieren und eine Auflösung bieten, die der eines Teleskops entspricht, dessen Durchmesser dem größten Abstand zwischen seinen einzelnen Elementen entspricht.
Grundprinzipien
Die Interferometrie verwendet das Prinzip der Überlagerung, um Wellen so zu kombinieren, dass das Ergebnis ihrer Kombination eine bedeutungsvolle Eigenschaft hat, die den ursprünglichen Zustand der Wellen diagnostizieren kann. Dies funktioniert, weil bei der Kombination zweier Wellen mit derselben Frequenz das resultierende Intensitätsmuster durch die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen bestimmt wird – phasengleiche Wellen unterliegen konstruktiver Interferenz, während phasenverschobene Wellen eine destruktive Interferenz erfahren. Wellen, die weder vollständig in Phase noch vollständig außer Phase sind, haben ein mittleres Intensitätsmuster, das verwendet werden kann, um ihre relative Phasendifferenz zu bestimmen. Die meisten Interferometer verwenden Licht oder eine andere Form elektromagnetischer Wellen .
Typischerweise (siehe Fig. 1, die bekannte Michelson-Konfiguration) wird ein einzelner einfallender Strahl kohärenten Lichts durch einen Strahlteiler (einen teilweise reflektierenden Spiegel) in zwei identische Strahlen aufgeteilt . Jeder dieser Strahlen durchläuft eine andere Route, die als Pfad bezeichnet wird, und sie werden rekombiniert, bevor sie einen Detektor erreichen. Der Wegunterschied, der Unterschied in der von jedem Strahl zurückgelegten Strecke, erzeugt eine Phasendifferenz zwischen ihnen. Es ist diese eingeführte Phasendifferenz, die das Interferenzmuster zwischen den anfänglich identischen Wellen erzeugt. Wenn ein einzelner Strahl entlang zweier Pfade geteilt wurde, ist die Phasendifferenz diagnostisch für alles, was die Phase entlang der Pfade ändert. Dies kann eine physikalische Änderung der Weglänge selbst oder eine Änderung des Brechungsindex entlang des Wegs sein.
Wie zu sehen in Fig. 2a und 2b hat der Betrachter einen direkten Blick auf Spiegel M 1 durch den Strahlteiler zu sehen ist , und sieht ein reflektiertes Bild M ' 2 des Spiegel M 2 . Die Streifen können als Ergebnis der Interferenz zwischen Licht , interpretiert werden von den beiden virtuellen Bilder kommen S ' 1 und S ' 2 von der ursprünglichen Quelle S . Die Eigenschaften des Interferenzmusters hängen von der Art der Lichtquelle und der genauen Ausrichtung der Spiegel und des Strahlteilers ab. In Fig. 2a sind die optischen Elemente so ausgerichtet, daß S ' 1 und S ' 2 in einer Linie mit dem Betrachter, und das resultierende Interferenzmuster besteht aus Kreisen auf dem Normalen zum zentrierten M 1 und M‘ 2 . Wenn, wie in Fig. 2B gezeigt ist , M 1 und M ' 2 in Bezug zueinander geneigt sind, werden die Interferenzstreifen nehmen im allgemeinen die Form von Kegelschnitten (Hyperbeln), aber wenn M ' 1 und M ' 2 überlappt, die Fransen in der Nähe der Achse wird gerade, parallel und gleichmäßig beabstandet sein. Wenn S eine ausgedehnte Quelle und nicht wie dargestellt eine Punktquelle ist, müssen die Streifen von Fig. 2a mit einem auf unendlich eingestellten Teleskop beobachtet werden, während die Streifen von Fig. 2b auf den Spiegeln lokalisiert werden.
Die Verwendung von weißem Licht führt zu einem Muster aus farbigen Fransen (siehe Abb. 3). Der die gleiche Weglänge darstellende zentrale Streifen kann hell oder dunkel sein, abhängig von der Anzahl der Phasenumkehrungen, die die beiden Strahlen erfahren, wenn sie das optische System durchqueren. (Siehe Michelson-Interferometer für eine Diskussion darüber.)
Kategorien
Interferometer und interferometrische Techniken können nach einer Vielzahl von Kriterien kategorisiert werden:
Homodyn- versus Heterodyn-Detektion
Bei der Homodyn-Detektion tritt die Interferenz zwischen zwei Strahlen mit derselben Wellenlänge (oder Trägerfrequenz ) auf. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlen führt zu einer Änderung der Intensität des Lichts auf dem Detektor. Die resultierende Lichtintensität nach dem Mischen dieser beiden Strahlen wird gemessen oder das Muster der Interferenzstreifen wird betrachtet oder aufgezeichnet. Die meisten der in diesem Artikel besprochenen Interferometer fallen in diese Kategorie.
Die Heterodyn- Technik wird verwendet zum (1) Verschieben eines Eingangssignals in einen neuen Frequenzbereich sowie (2) zum Verstärken eines schwachen Eingangssignals (bei Verwendung eines aktiven Mischers ). Ein schwaches Eingangssignal der Frequenz f 1 wird mit einer starken Referenzfrequenz f 2 von einem lokalen Oszillator (LO) gemischt . Die nichtlineare Kombination der Eingangssignale erzeugt zwei neue Signale, eines mit der Summe f 1 + f 2 der beiden Frequenzen und das andere mit der Differenz f 1 – f 2 . Diese neuen Frequenzen werden Heterodynen genannt . Typischerweise ist nur eine der neuen Frequenzen erwünscht und das andere Signal wird aus dem Ausgang des Mischers herausgefiltert. Das Ausgangssignal hat eine Intensität proportional zum Produkt der Amplituden der Eingangssignale.
Die wichtigste und am weitesten verbreitete Anwendung der Heterodyn-Technik ist der Superheterodyn-Empfänger (Superhet), der 1918 vom US-Ingenieur Edwin Howard Armstrong erfunden wurde . In dieser Schaltung wird das ankommende Hochfrequenzsignal von der Antenne mit einem Signal von einem lokalen Oszillator (LO) und durch die Heterodyn-Technik in ein niedrigeres Festfrequenzsignal umgewandelt, das als Zwischenfrequenz (IF) bezeichnet wird. Diese ZF wird verstärkt und gefiltert, bevor sie einem Detektor zugeführt wird, der das Audiosignal extrahiert, das an den Lautsprecher gesendet wird.
- Die optische Heterodyn-Detektion ist eine Erweiterung der Heterodyn-Technik auf höhere (sichtbare) Frequenzen.
Während die optische Heterodyn-Interferometrie normalerweise an einem einzigen Punkt durchgeführt wird, ist es auch möglich, dieses Weitfeld durchzuführen.
Doppelpfad versus gemeinsamer Pfad
Ein Doppelpfad-Interferometer ist ein Interferometer, bei dem der Referenzstrahl und der Probenstrahl auf divergenten Pfaden laufen. Beispiele sind das Michelson-Interferometer , das Twyman-Green-Interferometer und das Mach-Zehnder-Interferometer . Nach der Störung durch Wechselwirkung mit der zu testenden Probe wird der Probenstrahl mit dem Referenzstrahl rekombiniert, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das dann interpretiert werden kann.
Ein Interferometer mit gemeinsamem Pfad ist eine Klasse von Interferometern, bei denen der Referenzstrahl und der Probenstrahl entlang des gleichen Pfads laufen. 4 zeigt das Sagnac-Interferometer , das faseroptische Gyroskop , das Punktbeugungsinterferometer und das Lateral-Shearing-Interferometer . Andere Beispiele von Interferometern mit gemeinsamem Pfad umfassen das Zernike-Phasenkontrastmikroskop , das Fresnelsche Biprisma , das Nullbereichs-Sagnac und das Streuplatteninterferometer .
Wellenfrontaufspaltung versus Amplitudenaufspaltung
Inferometer mit Wellenfrontaufspaltung
Ein Wellenfront-Aufspaltungs-Interferometer teilt eine Lichtwellenfront, die aus einem Punkt oder einem schmalen Spalt austritt ( dh räumlich kohärentes Licht) und lässt sie, nachdem es den beiden Teilen der Wellenfront erlaubt wurde, unterschiedliche Wege zu durchlaufen, sie rekombinieren. Abb. 5 illustriert das Interferenzexperiment von Young und den Spiegel von Lloyd . Andere Beispiele von Wellenfrontaufspaltungsinterferometern umfassen das Fresnel-Biprisma, die Billet-Bi-Lens und das Rayleigh-Interferometer .
1803 spielte Youngs Interferenzexperiment eine wichtige Rolle für die allgemeine Akzeptanz der Wellentheorie des Lichts. Wenn in Youngs Experiment weißes Licht verwendet wird, ist das Ergebnis ein weißes zentrales Band konstruktiver Interferenz , das der gleichen Weglänge von den beiden Schlitzen entspricht, umgeben von einem symmetrischen Muster von farbigen Streifen abnehmender Intensität. Zusätzlich zur kontinuierlichen elektromagnetischen Strahlung wurde Youngs Experiment mit einzelnen Photonen, mit Elektronen und mit Buckyball- Molekülen durchgeführt, die groß genug sind, um unter einem Elektronenmikroskop gesehen zu werden .
Der Lloyd's-Spiegel erzeugt Interferenzstreifen, indem er direktes Licht von einer Quelle (blaue Linien) und Licht aus dem reflektierten Bild der Quelle (rote Linien) von einem Spiegel mit streifendem Einfall kombiniert. Das Ergebnis ist ein asymmetrisches Fransenmuster. Das dem Spiegel am nächsten liegende Band gleicher Weglänge ist eher dunkel als hell. 1834 interpretierte Humphrey Lloyd diesen Effekt als Beweis dafür, dass die Phase eines an der Vorderseite reflektierten Strahls invertiert ist.
Amplitudenaufspaltende Inferometer
Ein Amplitudenteilungs-Interferometer verwendet einen Teilreflektor, um die Amplitude der einfallenden Welle in getrennte Strahlen aufzuteilen, die getrennt und wieder kombiniert werden.
Das Fizeau-Interferometer wird so gezeigt, wie es zum Testen einer optischen Ebene eingerichtet werden könnte . Auf die zu prüfende Fläche wird, getrennt durch schmale Abstandshalter, eine genau bezifferte Referenzfläche aufgelegt. Die Bezugsfläche ist leicht abgeschrägt (nur ein Bruchteil einer Abschrägung ist erforderlich), um zu verhindern, dass die Rückseite der Fläche Interferenzstreifen erzeugt. Durch das Trennen der Test- und Referenzflächen können die beiden Flächen relativ zueinander geneigt werden. Durch Einstellen der Neigung, die dem Streifenmuster einen kontrollierten Phasengradienten hinzufügt, kann man den Abstand und die Richtung der Streifen steuern, so dass man anstelle eines komplexen Wirbels von Konturlinien eine leicht zu interpretierende Reihe von nahezu parallelen Streifen erhalten kann. Das Trennen der Platten erfordert jedoch, dass das Beleuchtungslicht kollimiert wird. Fig. 6 zeigt einen kollimierten Strahl monochromatischen Lichts, der die beiden Flächen beleuchtet, und einen Strahlteiler, der es ermöglicht, die Streifen auf der Achse zu betrachten.
Das Mach-Zehnder-Interferometer ist ein vielseitigeres Instrument als das Michelson-Interferometer. Jeder der gut getrennten Lichtwege wird nur einmal durchlaufen und die Streifen können so eingestellt werden, dass sie in jeder gewünschten Ebene lokalisiert sind. Typischerweise werden die Fransen so eingestellt, dass sie in derselben Ebene wie das Testobjekt liegen, so dass die Fransen und das Testobjekt zusammen fotografiert werden können. Wenn entschieden wird, Streifen in weißem Licht zu erzeugen, dann muss, da weißes Licht eine begrenzte Kohärenzlänge in der Größenordnung von Mikrometern hat , große Sorgfalt auf die Angleichung der optischen Wege aufgewendet werden, da sonst keine Streifen sichtbar sind. Wie in Fig. 6 dargestellt, würde eine Kompensationszelle im Weg des Referenzstrahls angeordnet, um der Testzelle zu entsprechen. Beachten Sie auch die genaue Ausrichtung der Strahlteiler. Die reflektierenden Oberflächen der Strahlteiler würden so ausgerichtet, dass Prüf- und Referenzstrahl gleich viel Glas durchdringen. In dieser Ausrichtung erfahren der Test- und der Referenzstrahl jeweils zwei Frontoberflächenreflexionen, was zu der gleichen Anzahl von Phasenumkehrungen führt. Das Ergebnis ist, dass Licht, das im Test- und Referenzstrahl eine gleiche optische Weglänge zurücklegt, einen Weißlichtstreifen konstruktiver Interferenz erzeugt.
Das Herzstück des Fabry-Pérot-Interferometers ist ein Paar teilweise versilberter optischer Glasflächen im Abstand von mehreren Millimetern bis Zentimetern, wobei die versilberten Oberflächen einander zugewandt sind. (Alternativ verwendet ein Fabry-Pérot- Etalon eine transparente Platte mit zwei parallelen reflektierenden Oberflächen.) Wie beim Fizeau-Interferometer sind die Flächen leicht abgeschrägt. In einem typischen System wird die Beleuchtung durch eine diffuse Quelle bereitgestellt, die in der Brennebene einer Kollimationslinse angeordnet ist. Eine Fokussierlinse erzeugt ein umgekehrtes Bild der Quelle, wenn die gepaarten Abflachungen nicht vorhanden wären; dh in Abwesenheit der gepaarten Abflachungen würde alles Licht, das von Punkt A emittiert wird, das durch das optische System läuft, auf Punkt A' fokussiert werden. In Fig. 6 wird nur ein von Punkt A der Quelle emittierter Strahl verfolgt. Wenn der Strahl die gepaarten Flächen passiert, wird er mehrfach reflektiert, um mehrere durchgelassene Strahlen zu erzeugen, die von der Fokussierungslinse gesammelt und zum Punkt A' auf dem Schirm gebracht werden. Das vollständige Interferenzmuster sieht aus wie ein Satz konzentrischer Ringe. Die Schärfe der Ringe hängt vom Reflexionsvermögen der Flächen ab. Wenn die Reflektivität hoch ist, was zu einem hohen Q-Faktor ( dh hoher Finesse) führt, erzeugt monochromatisches Licht eine Reihe schmaler heller Ringe vor einem dunklen Hintergrund. In Fig. 6 entspricht das Bild mit geringer Finesse einem Reflexionsvermögen von 0,04 ( dh nicht versilberte Oberflächen) gegenüber einem Reflexionsvermögen von 0,95 für das Bild mit hoher Finesse.
Abb. 6 zeigt die Fizeau-, Mach-Zehnder- und Fabry-Pérot-Interferometer. Andere Beispiele für Amplitudenteilungs-Interferometer umfassen das Michelson- , Twyman-Green- , Laser Unequal Path- und Linnik-Interferometer .
Michelson-Morley
Michelson und Morley (1887) und andere frühe Experimentatoren, die interferometrische Techniken verwendeten, um die Eigenschaften des leuchtenden Äthers zu messen , verwendeten monochromatisches Licht nur für die anfängliche Einrichtung ihrer Geräte und wechselten für die tatsächlichen Messungen immer auf weißes Licht. Der Grund ist, dass die Messungen visuell aufgezeichnet wurden. Monochromatisches Licht würde zu einem gleichmäßigen Streifenmuster führen. Da es an modernen Mitteln zur Kontrolle der Umgebungstemperatur fehlte , kämpften die Experimentatoren mit ständiger Streifendrift, obwohl das Interferometer möglicherweise in einem Keller aufgestellt war. Da die Ränder gelegentlich durch Erschütterungen durch vorbeifahrenden Pferdeverkehr, entfernte Gewitter und dergleichen verschwinden würden, könnte sich ein Beobachter leicht "verirren", wenn die Ränder wieder sichtbar werden. Die Vorteile des weißen Lichts, das ein markantes farbiges Streifenmuster erzeugte, überwogen bei weitem die Schwierigkeiten beim Ausrichten des Geräts aufgrund seiner geringen Kohärenzlänge . Dies war ein frühes Beispiel für die Verwendung von weißem Licht, um die "2 pi Mehrdeutigkeit" aufzulösen.
Anwendungen
Physik und Astronomie
In der Physik war eines der wichtigsten Experimente des späten 19. Jahrhunderts das berühmte "fehlgeschlagene Experiment" von Michelson und Morley, das den Beweis für die spezielle Relativität lieferte . Jüngste Wiederholungen des Michelson-Morley-Experiments führen heterodyne Messungen von Schwebungsfrequenzen von gekreuzten kryogenen optischen Resonatoren durch . 7 veranschaulicht ein Resonatorexperiment, das von Müller et al. im Jahr 2003. Zwei optische Resonatoren aus kristallinem Saphir, die die Frequenzen von zwei Lasern steuern, wurden in einem Helium-Kryostaten rechtwinklig aufgestellt. Ein Frequenzkomparator maß die Schwebungsfrequenz der kombinierten Ausgänge der beiden Resonatoren. Ab 2009 liegt die Genauigkeit, mit der eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit in Resonatorexperimenten ausgeschlossen werden kann, auf dem Niveau von 10 –17 .
 Abbildung 7. Michelson-Morley-Experiment mit kryogenen optischen Resonatoren |
 Abbildung 8. Fourier-Transformations-Spektroskopie |
Abbildung 9. Ein Bild der Sonnenkorona, aufgenommen mit dem LASCO C1-Koronagraph |
Michelson-Interferometer werden in abstimmbaren optischen Schmalbandfiltern und als zentrale Hardwarekomponente von Fourier-Transformationsspektrometern verwendet .
Als abstimmbares Schmalbandfilter weisen Michelson-Interferometer eine Reihe von Vor- und Nachteilen gegenüber konkurrierenden Technologien wie Fabry-Pérot-Interferometern oder Lyot-Filtern auf . Michelson-Interferometer haben das größte Sichtfeld für eine bestimmte Wellenlänge und sind relativ einfach in der Bedienung, da die Abstimmung über die mechanische Drehung der Wellenplatten erfolgt und nicht über die Hochspannungssteuerung von piezoelektrischen Kristallen oder optischen Lithiumniobat-Modulatoren, wie sie in einem Fabry-Pérot-System verwendet werden . Im Vergleich zu Lyot-Filtern, die doppelbrechende Elemente verwenden, haben Michelson-Interferometer eine relativ geringe Temperaturempfindlichkeit. Auf der negativen Seite haben Michelson-Interferometer einen relativ eingeschränkten Wellenlängenbereich und erfordern die Verwendung von Vorfiltern, die die Durchlässigkeit einschränken.
Fig. 8 veranschaulicht den Betrieb eines Fourier-Transformations-Spektrometers, das im Wesentlichen ein Michelson-Interferometer mit einem beweglichen Spiegel ist. (Ein praktisches Fourier-Transformations-Spektrometer würde die flachen Spiegel des herkömmlichen Michelson-Interferometers durch Corner-Cube-Reflektoren ersetzen, aber der Einfachheit halber zeigt die Abbildung dies nicht.) Ein Interferogramm wird durch Messungen des Signals an vielen diskreten Positionen des bewegten . erzeugt Spiegel. Eine Fourier-Transformation wandelt das Interferogramm in ein tatsächliches Spektrum um.
9 zeigt ein Doppler-Bild der Sonnenkorona, das unter Verwendung eines abstimmbaren Fabry-Pérot-Interferometers erstellt wurde, um Scans der Sonnenkorona bei einer Reihe von Wellenlängen nahe der grünen Linie von FeXIV wiederherzustellen. Das Bild ist ein farbcodiertes Bild der Doppler-Verschiebung der Linie, die mit der koronalen Plasmageschwindigkeit zur Satellitenkamera hin oder von ihr weg verbunden sein kann.
Fabry-Pérot-Dünnschicht-Etalons werden in schmalen Bandpassfiltern verwendet, die eine einzelne Spektrallinie für die Bildgebung auswählen können; B. die H-Alpha- Linie oder die Ca-K- Linie der Sonne oder Sterne. Abb. 10 zeigt eine Aufnahme des Extreme Ultraviolett Imaging Telescope (EIT) der Sonne bei 195 ngström (19,5 nm), die einer Spektrallinie mehrfach ionisierter Eisenatome entspricht. EIT verwendete mehrschichtig beschichtete reflektierende Spiegel, die mit abwechselnden Schichten eines leichten "Abstands"-Elements (wie Silizium) und eines schweren "Streuer"-Elements (wie Molybdän) beschichtet waren. Auf jedem Spiegel wurden ca. 100 Schichten jedes Typs mit einer Dicke von jeweils ca. 10 nm aufgebracht. Die Schichtdicken wurden streng kontrolliert, so dass bei der gewünschten Wellenlänge reflektierte Photonen von jeder Schicht konstruktiv interferierten.
Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) verwendet zwei 4 km lange Michelson-Fabry-Pérot-Interferometer zum Nachweis von Gravitationswellen . In dieser Anwendung wird die Fabry-Pérot-Kavität verwendet, um Photonen für fast eine Millisekunde zu speichern, während sie zwischen den Spiegeln auf- und abprallen. Dadurch verlängert sich die Zeit, in der eine Gravitationswelle mit dem Licht interagieren kann, was zu einer besseren Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen führt. Kleinere Kavitäten, üblicherweise Modenreiniger genannt, werden zur räumlichen Filterung und Frequenzstabilisierung des Hauptlasers verwendet. Die erste Beobachtung von Gravitationswellen erfolgte am 14. September 2015.
Der relativ große und frei zugängliche Arbeitsraum des Mach-Zehnder-Interferometers und seine Flexibilität bei der Lokalisierung der Randstreifen haben es zum Interferometer der Wahl für die Visualisierung von Strömungen in Windkanälen und für Strömungsvisualisierungsstudien im Allgemeinen gemacht. Es wird häufig in den Bereichen Aerodynamik, Plasmaphysik und Wärmeübertragung verwendet, um Druck-, Dichte- und Temperaturänderungen in Gasen zu messen.
Mach-Zehnder-Interferometer werden auch verwendet, um eine der widersprüchlichsten Vorhersagen der Quantenmechanik zu studieren, das als Quantenverschränkung bekannte Phänomen .
Ein astronomisches Interferometer erzielt hochauflösende Beobachtungen mit der Technik der Apertursynthese , bei der Signale von einem Cluster vergleichsweise kleiner Teleskope anstelle eines einzelnen sehr teuren monolithischen Teleskops gemischt werden.
Frühe Radioteleskop- Interferometer verwendeten eine einzige Basislinie für die Messung. Spätere astronomische Interferometer, wie das in Abb. 11 dargestellte Very Large Array , verwendeten Anordnungen von Teleskopen, die in einem Muster auf dem Boden angeordnet waren. Eine begrenzte Anzahl von Basislinien führt zu einer unzureichenden Abdeckung. Dies wurde gemildert, indem die Rotation der Erde verwendet wurde, um das Array relativ zum Himmel zu drehen. Somit könnte eine einzelne Basislinie Informationen in mehreren Ausrichtungen messen, indem wiederholte Messungen vorgenommen werden, eine Technik, die als Erdrotationssynthese bezeichnet wird . Basislinien mit einer Länge von Tausenden von Kilometern wurden mit sehr langer Basislinieninterferometrie ermittelt .
Die astronomische optische Interferometrie musste eine Reihe von technischen Problemen überwinden, die die Radioteleskop-Interferometrie nicht teilt. Die kurzen Wellenlängen des Lichts erfordern höchste Präzision und Stabilität der Konstruktion. Zum Beispiel erfordert eine räumliche Auflösung von 1 Millibogensekunde eine Stabilität von 0,5 µm in einer 100-m-Basislinie. Optische interferometrische Messungen erfordern hochempfindliche, rauscharme Detektoren, die erst Ende der 1990er Jahre verfügbar wurden. Astronomisches "Sehen" , die Turbulenz, die Sterne zum Funkeln bringt, führt zu schnellen, zufälligen Phasenänderungen im einfallenden Licht, wodurch die Datenerfassungsraten im Kilohertz-Bereich schneller als die Turbulenzrate sein müssen. Trotz dieser technischen Schwierigkeiten sind heute drei große Anlagen in Betrieb, die Auflösungen bis in den Bruchteil einer Millibogensekunde bieten. Dieses verlinkte Video zeigt einen Film, der aus Apertursynthesebildern des Beta-Lyrae- Systems zusammengestellt wurde, einem etwa 960 Lichtjahre (290 Parsec) entfernten Doppelsternsystem im Sternbild Leier, wie es vom CHARA-Array mit dem MIRC-Instrument beobachtet wurde. Die hellere Komponente ist der Primärstern oder der Massenspender. Die schwächere Komponente ist die dicke Scheibe, die den Sekundärstern oder den Massengewinner umgibt. Die beiden Komponenten sind durch 1 Millibogensekunde getrennt. Gezeitenverzerrungen des Massenspenders und des Massengewinners sind beide deutlich sichtbar.
Der Wellencharakter der Materie kann zum Bau von Interferometern genutzt werden. Die ersten Beispiele für Materieinterferometer waren Elektroneninterferometer , später folgten Neutroneninterferometer . Um 1990 wurden die ersten Atominterferometer vorgestellt , später folgten Interferometer mit Molekülen.
Elektronenholographie ist eine bildgebende Technik, die das Elektroneninterferenzmuster eines Objekts fotografisch aufzeichnet, das dann rekonstruiert wird, um ein stark vergrößertes Bild des ursprünglichen Objekts zu erhalten. Diese Technik wurde entwickelt, um eine höhere Auflösung in der Elektronenmikroskopie zu ermöglichen, als dies mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren möglich ist. Die Auflösung der konventionellen Elektronenmikroskopie wird nicht durch die Elektronenwellenlänge begrenzt, sondern durch die großen Aberrationen von Elektronenlinsen.
Neutroneninterferometrie wurde verwendet, um den Aharonov-Bohm-Effekt zu untersuchen, die Auswirkungen der Schwerkraft auf ein Elementarteilchen zu untersuchen und ein seltsames Verhalten von Fermionen zu demonstrieren , das dem Pauli-Ausschlussprinzip zugrunde liegt : Anders als bei makroskopischen Objekten, wenn Fermionen um 360° um eine beliebige Achse gedreht werden, kehren sie nicht in ihren ursprünglichen Zustand zurück, sondern entwickeln in ihrer Wellenfunktion ein Minuszeichen. Mit anderen Worten, ein Fermion muss um 720° gedreht werden, bevor es in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.
Atominterferometrie-Techniken erreichen eine ausreichende Präzision, um Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie im Labormaßstab zu ermöglichen .
Interferometer werden in der Atmosphärenphysik zur hochpräzisen Messung von Spurengasen durch Fernerkundung der Atmosphäre eingesetzt. Es gibt mehrere Beispiele für Interferometer, die entweder Absorptions- oder Emissionsmerkmale von Spurengasen verwenden. Eine typische Anwendung wäre die kontinuierliche Überwachung der Säulenkonzentration von Spurengasen wie Ozon und Kohlenmonoxid über dem Instrument.
Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften
Die Newton-Interferometrie (Testplatten-Interferometrie) wird in der optischen Industrie häufig verwendet, um die Qualität von Oberflächen während der Formgebung und Formgebung zu prüfen. Abb. 13 zeigt Fotos von Referenzflächen, die verwendet wurden, um zwei Testflächen in unterschiedlichen Fertigstellungsstadien zu überprüfen, und zeigen die unterschiedlichen Muster von Interferenzstreifen. Die Referenzflächen liegen mit ihren unteren Oberflächen in Kontakt mit den Testflächen und werden von einer monochromatischen Lichtquelle beleuchtet. Die von beiden Oberflächen reflektierten Lichtwellen interferieren, was zu einem Muster aus hellen und dunklen Streifen führt. Die Oberfläche auf dem linken Foto ist fast flach, was durch ein Muster von geraden parallelen Interferenzstreifen in gleichen Abständen angezeigt wird. Die Oberfläche auf dem rechten Foto ist uneben, was zu einem Muster aus gebogenen Fransen führt. Jedes Paar benachbarter Streifen stellt einen Unterschied in der Oberflächenhöhe von einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts dar, so dass Höhenunterschiede durch Zählen der Streifen gemessen werden können. Die Ebenheit der Oberflächen kann mit dieser Methode auf Millionstel Zoll gemessen werden. Um zu bestimmen, ob die zu testende Oberfläche in Bezug auf die optische Bezugsebene konkav oder konvex ist, kann eines von mehreren Verfahren angewendet werden. Man kann beobachten, wie sich die Fransen verschieben, wenn man leicht auf die obere Fläche drückt. Betrachtet man die Farbsäume im weißen Licht, wird die Farbabfolge mit Erfahrungen vertraut und hilft bei der Interpretation. Schließlich kann man das Aussehen der Fransen vergleichen, wenn man seinen Kopf von einer normalen in eine schräge Betrachtungsposition bewegt. Diese Art von Manövern sind zwar im Optikergeschäft üblich, eignen sich jedoch nicht für eine formale Testumgebung. Wenn die Wohnungen zum Verkauf bereit sind, werden sie in der Regel zur formellen Prüfung und Zertifizierung in ein Fizeau-Interferometer eingebaut.
Fabry-Pérot-Etalons werden häufig in der Telekommunikation , in Lasern und in der Spektroskopie verwendet , um die Wellenlängen des Lichts zu kontrollieren und zu messen. Dichroitische Filter sind mehrschichtige Dünnfilm- Etalons. In der Telekommunikation hängt das Wellenlängen-Multiplexing , die Technologie, die die Verwendung mehrerer Lichtwellenlängen durch eine einzige optische Faser ermöglicht, von Filtervorrichtungen ab, die Dünnschicht-Etalons sind. Single-Mode-Laser verwenden Etalons, um alle optischen Resonatormoden außer dem einzelnen von Interesse zu unterdrücken .
Das Twyman-Green-Interferometer, das 1916 von Twyman und Green erfunden wurde, ist eine Variante des Michelson-Interferometers, das häufig zum Testen optischer Komponenten verwendet wird. Die grundlegenden Merkmale, die sie von der Michelson-Konfiguration unterscheiden, sind die Verwendung einer monochromatischen Punktlichtquelle und eines Kollimators. Michelson (1918) kritisierte die Twyman-Green-Konfiguration als ungeeignet zum Testen großer optischer Komponenten, da die damals verfügbaren Lichtquellen eine begrenzte Kohärenzlänge aufwiesen . Michelson wies darauf hin, dass durch die begrenzte Kohärenzlänge erzwungene Einschränkungen der Geometrie die Verwendung eines Referenzspiegels von gleicher Größe wie der Testspiegel erfordern, was den Twyman-Green für viele Zwecke unpraktisch macht. Jahrzehnte später beantwortete das Aufkommen von Laserlichtquellen Michelsons Einwände. (Ein Twyman-Green-Interferometer, das eine Laserlichtquelle und eine ungleiche Weglänge verwendet, wird als Laser-Unequal Path-Interferometer oder LUPI bezeichnet.) Abb. 14 zeigt einen Twyman-Green-Interferometer, der zum Testen einer Linse eingerichtet ist. Licht von einer monochromatischen Punktquelle wird durch eine Zerstreuungslinse (nicht gezeigt) aufgeweitet und dann in einen parallelen Strahl kollimiert. Ein konvexer sphärischer Spiegel wird so positioniert, dass sein Krümmungsmittelpunkt mit dem Fokus des getesteten Objektivs zusammenfällt. Der austretende Strahl wird von einem Abbildungssystem zur Analyse aufgezeichnet.
Mach-Zehnder-Interferometer werden in integrierten optischen Schaltkreisen verwendet , in denen Licht zwischen zwei Zweigen eines Wellenleiters interferiert , die extern moduliert werden , um ihre relative Phase zu ändern. Eine leichte Neigung eines der Strahlteiler führt zu einem Gangunterschied und einer Änderung des Interferenzmusters. Mach-Zehnder-Interferometer sind die Basis einer Vielzahl von Geräten, von HF-Modulatoren über Sensoren bis hin zu optischen Schaltern .
Die neuesten vorgeschlagenen extrem großen astronomischen Teleskope , wie das Thirty Meter Telescope und das Extremely Large Telescope , werden segmentiert sein. Ihre Hauptspiegel werden aus Hunderten von sechseckigen Spiegelsegmenten gebaut. Das Polieren und Gestalten dieser stark asphärischen und nicht rotationssymmetrischen Spiegelsegmente stellt eine große Herausforderung dar. Traditionelle Mittel der optischen Prüfung vergleicht eine Oberfläche mit Hilfe eines Nullkorrektors mit einer sphärischen Referenz . In den letzten Jahren haben computergenerierte Hologramme (CGHs) begonnen, Nullkorrektoren in Testaufbauten für komplexe asphärische Oberflächen zu ergänzen. Abb. 15 veranschaulicht, wie dies geschieht. Im Gegensatz zu der Abbildung haben tatsächliche CGHs Zeilenabstände in der Größenordnung von 1 bis 10 µm. Wenn Laserlicht durch das CGH geleitet wird, erfährt der gebeugte Strahl nullter Ordnung keine Wellenfrontmodifikation. Die Wellenfront des gebeugten Strahls erster Ordnung wird jedoch modifiziert, um der gewünschten Form der Testoberfläche zu entsprechen. Im dargestellten Fizeau-Interferometer-Testaufbau wird der Beugungsstrahl nullter Ordnung auf die sphärische Referenzfläche und der Beugungsstrahl erster Ordnung so auf die Testfläche gelenkt, dass sich die beiden reflektierten Strahlen zu Interferenzstreifen verbinden. Für die innersten Spiegel kann der gleiche Testaufbau wie für den äußersten verwendet werden, nur das CGH muss ausgetauscht werden.
Ringlasergyroskope (RLGs) und faseroptische Gyroskope (FOGs) sind Interferometer, die in Navigationssystemen verwendet werden. Sie arbeiten nach dem Prinzip des Sagnac-Effekts . Der Unterschied zwischen RLGs und FOGs besteht darin, dass bei einem RLG der gesamte Ring Teil des Lasers ist, während bei einem FOG ein externer Laser gegenläufige Strahlen in einen Lichtleitfaserring injiziert und die Rotation des Systems dann eine relative Phasenverschiebung verursacht zwischen diesen Balken. Bei einem RLG ist die beobachtete Phasenverschiebung proportional zur akkumulierten Drehung, während bei einem FOG die beobachtete Phasenverschiebung proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist.
In Telekommunikationsnetzen wird Überlagerung verwendet, um Frequenzen einzelner Signale auf verschiedene Kanäle zu verschieben, die sich eine einzelne physikalische Übertragungsleitung teilen können. Dies wird als Frequenzmultiplex (FDM) bezeichnet. Ein Koaxialkabel, das von einem Kabelfernsehsystem verwendet wird, kann beispielsweise 500 Fernsehkanäle gleichzeitig übertragen, da jedem eine andere Frequenz zugewiesen wird, damit sie sich nicht gegenseitig stören. Doppler- Radardetektoren mit kontinuierlicher Welle (CW) sind im Grunde Überlagerungsdetektoren, die gesendete und reflektierte Strahlen vergleichen.
Die optische Überlagerungsdetektion wird für kohärente Doppler-Lidar- Messungen verwendet, die in der Lage sind, sehr schwaches in der Atmosphäre gestreutes Licht zu detektieren und Windgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit zu überwachen. Es findet Anwendung in der Glasfaserkommunikation , in verschiedenen hochauflösenden spektroskopischen Techniken, und das Selbstheterodyn-Verfahren kann verwendet werden, um die Linienbreite eines Lasers zu messen.
Die optische Überlagerungsdetektion ist eine wesentliche Technik, die bei hochgenauen Messungen der Frequenzen optischer Quellen sowie bei der Stabilisierung ihrer Frequenzen verwendet wird. Bis vor relativ wenigen Jahren waren lange Frequenzketten erforderlich, um die Mikrowellenfrequenz eines Cäsiums oder einer anderen Atomzeitquelle mit optischen Frequenzen zu verbinden. Bei jedem Schritt der Kette würde ein Frequenzmultiplikator verwendet, um eine Harmonische der Frequenz dieses Schrittes zu erzeugen, die durch Überlagerungsdetektion mit dem nächsten Schritt (der Ausgabe einer Mikrowellenquelle, eines Ferninfrarotlasers, eines Infrarotlasers, oder sichtbarer Laser). Jede Messung einer einzelnen Spektrallinie erforderte einen mehrjährigen Aufwand beim Aufbau einer kundenspezifischen Frequenzkette. Gegenwärtig haben optische Frequenzkämme ein viel einfacheres Verfahren zum Messen optischer Frequenzen bereitgestellt. Wenn ein modengekoppelter Laser moduliert wird, um eine Impulsfolge zu bilden, besteht sein Spektrum aus der Trägerfrequenz, umgeben von einem eng beabstandeten Kamm optischer Seitenbandfrequenzen mit einem Abstand gleich der Impulswiederholungsfrequenz (Abb. 16). Die Pulswiederholfrequenz ist an die des Frequenzstandards gekoppelt , und die Frequenzen der Kammelemente am roten Ende des Spektrums werden verdoppelt und mit den Frequenzen der Kammelemente am blauen Ende des Spektrums überlagert, wodurch die Kamm als eigene Referenz dienen. Auf diese Weise kann das Einrasten des Frequenzkammausgangs auf einen atomaren Standard in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. Um eine unbekannte Frequenz zu messen, wird die Frequenzkammausgabe in ein Spektrum zerlegt. Die unbekannte Frequenz wird mit dem entsprechenden Spektralsegment des Kamms überlappt und die Frequenz der resultierenden Heterodyn-Schwebungen wird gemessen.
Eine der häufigsten industriellen Anwendungen der optischen Interferometrie ist ein vielseitiges Messwerkzeug für die hochpräzise Untersuchung der Oberflächentopographie. Beliebte interferometrischen Meßtechniken umfassen Phase Interferometry Shifting (PSI) und vertikale Abtastung Interferometrie (VSI), auch als Scannen bekannt Weißlichtinterferometrie (SWLI) oder durch die ISO Begriff Coherence Scanning Interferometry (CSI), CSI nutzt Kohärenz den Bereich zu erweitern Möglichkeiten zur Interferenzmikroskopie. Diese Techniken werden häufig in der mikroelektronischen und mikrooptischen Fertigung verwendet. PSI verwendet monochromatisches Licht und liefert sehr genaue Messungen; es ist jedoch nur für sehr glatte Oberflächen geeignet. CSI verwendet oft weißes Licht und hohe numerische Aperturen, und anstatt wie PSI auf die Phase der Streifen zu schauen, sucht nach der besten Position des maximalen Streifenkontrasts oder nach einem anderen Merkmal des gesamten Streifenmusters. In seiner einfachsten Form liefert CSI weniger genaue Messungen als PSI, kann aber auf rauen Oberflächen verwendet werden. Einige Konfigurationen von CSI, die verschiedentlich als Enhanced VSI (EVSI), hochauflösende SWLI oder Frequency Domain Analysis (FDA) bekannt sind, verwenden Kohärenzeffekte in Kombination mit Interferenzphase, um die Präzision zu verbessern.
Die Phasenverschiebungsinterferometrie befasst sich mit mehreren Problemen, die mit der klassischen Analyse statischer Interferogramme verbunden sind. Klassisch misst man die Positionen der Randzentren. Wie in Fig. 13 zu sehen ist, liefern Streifenabweichungen von der Geradheit und gleicher Abstand ein Maß für die Aberration. Fehler bei der Bestimmung der Lage der Randzentren stellen die inhärente Grenze der Genauigkeit der klassischen Analyse dar, und jegliche Intensitätsvariationen über das Interferogramm führen ebenfalls zu Fehlern. Es gibt einen Kompromiss zwischen Präzision und Anzahl von Datenpunkten: eng beabstandete Streifen liefern viele Datenpunkte mit geringer Genauigkeit, während weit beabstandete Streifen eine geringe Anzahl von hochpräzisen Datenpunkten liefern. Da bei der klassischen Analyse nur Randzentrumsdaten verwendet werden, werden alle anderen Informationen, die theoretisch durch eine detaillierte Analyse der Intensitätsvariationen in einem Interferogramm erhalten werden könnten, weggeworfen. Schließlich werden bei statischen Interferogrammen noch zusätzliche Informationen benötigt, um die Polarität der Wellenfront zu bestimmen: In Abb. 13 sieht man, dass die geprüfte Fläche rechts von der Ebenheit abweicht, aber man kann aus diesem Einzelbild nicht erkennen, ob diese Abweichung von der Ebenheit ist konkav oder konvex. Herkömmlicherweise werden diese Informationen mit nicht automatisierten Mitteln erhalten, beispielsweise durch Beobachten der Richtung, in die sich die Streifen bewegen, wenn die Referenzfläche gedrückt wird.
Die Phasenverschiebungsinterferometrie überwindet diese Beschränkungen, indem sie sich nicht darauf verlässt, Randzentren zu finden, sondern vielmehr Intensitätsdaten von jedem Punkt des CCD -Bildsensors sammelt . Wie in Fig. 17 zu sehen ist, werden mehrere Interferogramme (mindestens drei) analysiert, wobei die optische Referenzoberfläche zwischen jeder Belichtung unter Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers (PZT) um einen genauen Bruchteil einer Wellenlänge verschoben ist . Alternativ können durch Modulation der Laserfrequenz präzise Phasenverschiebungen eingeführt werden. Die aufgenommenen Bilder werden von einem Computer verarbeitet, um die optischen Wellenfrontfehler zu berechnen. Die Präzision und Reproduzierbarkeit von PSI ist weitaus höher als in der statischen Interferogramm-Analyse möglich, wobei Messwiederholbarkeiten von Hundertstel einer Wellenlänge Routine sind. Die Phasenverschiebungstechnologie wurde an eine Vielzahl von Interferometertypen wie Twyman-Green, Mach-Zehnder, Laser Fizeau und sogar gängige Pfadkonfigurationen wie Punktbeugung und Lateral-Shearing-Interferometer angepasst. Allgemeiner gesagt können Phasenverschiebungstechniken an fast jedes System angepasst werden, das Streifen zur Messung verwendet, wie beispielsweise holographische und Speckle-Interferometrie.
Bei der Kohärenz-Scanning-Interferometrie wird Interferenz nur erreicht, wenn die Weglängenverzögerungen des Interferometers innerhalb der Kohärenzzeit der Lichtquelle angepasst sind. CSI überwacht eher den Streifenkontrast als die Phase der Streifen. Fig. 17 veranschaulicht ein CSI-Mikroskop, das ein Mirau-Interferometer im Objektiv verwendet; Andere Arten von Interferometern, die mit Weißlicht verwendet werden, sind das Michelson-Interferometer (für Objektive mit geringer Vergrößerung, bei denen der Referenzspiegel in einem Mirau-Objektiv zu viel von der Öffnung unterbrechen würde) und das Linnik-Interferometer (für Objektive mit hoher Vergrößerung mit begrenztem Arbeitsabstand). Die Probe (oder alternativ das Objektiv) wird vertikal über den gesamten Höhenbereich der Probe bewegt, und für jedes Pixel wird die Position des maximalen Streifenkontrasts gefunden. Der Hauptvorteil der Kohärenz-Scanning-Interferometrie besteht darin, dass Systeme entworfen werden können, die nicht unter der 2 pi-Mehrdeutigkeit der kohärenten Interferometrie leiden Stufen und raue Oberflächen. Die axiale Auflösung des Systems wird teilweise durch die Kohärenzlänge der Lichtquelle bestimmt. Industrielle Anwendungen umfassen Oberflächenmesstechnik im Prozess , Rauheitsmessung, 3D-Oberflächenmesstechnik in schwer zugänglichen Räumen und in rauen Umgebungen, Profilometrie von Oberflächen mit Merkmalen mit hohem Aspektverhältnis (Rillen, Kanäle, Löcher) und Schichtdickenmessung (Halb- Leiter- und optische Industrie usw.).
Abb. 19 zeigt ein Twyman-Green-Interferometer , das für die Weißlichtabtastung eines makroskopischen Objekts eingerichtet ist.
Holographische Interferometrie ist eine Technik, die Holographie verwendet , um kleine Deformationen in Implementierungen mit einer einzigen Wellenlänge zu überwachen. In Implementierungen mit mehreren Wellenlängen wird es verwendet, um dimensionale Messtechnik großer Teile und Baugruppen durchzuführen und größere Oberflächenfehler zu erkennen.
Die holographische Interferometrie wurde zufällig als Folge von Fehlern bei der Herstellung von Hologrammen entdeckt. Frühe Laser waren relativ schwach und fotografische Platten waren unempfindlich, was lange Belichtungszeiten erforderte, bei denen Vibrationen oder winzige Verschiebungen im optischen System auftreten konnten. Die resultierenden Hologramme, die das holografische Motiv mit Fransen bedeckt zeigten, wurden als ruiniert betrachtet.
Schließlich erkannten mehrere unabhängige Gruppen von Experimentatoren Mitte der 60er Jahre, dass die Randstreifen wichtige Informationen über die im Objekt auftretenden Dimensionsänderungen kodierten, und begannen absichtlich, holografische Doppelbelichtungen zu erstellen. Der Hauptartikel zur holographischen Interferometrie behandelt die Streitigkeiten über die Priorität der Entdeckung, die während der Erteilung des Patents für dieses Verfahren aufgetreten sind.
Die Doppel- und Mehrfachbelichtungsholographie ist eine von drei Methoden, die verwendet werden, um holographische Interferogramme zu erstellen. Eine erste Aufnahme nimmt das Objekt in einem unbelasteten Zustand auf. Nachfolgende Belichtungen auf derselben fotografischen Platte werden gemacht, während das Objekt einer gewissen Belastung ausgesetzt ist. Das zusammengesetzte Bild zeigt den Unterschied zwischen den belasteten und unbelasteten Zuständen.
Echtzeit-Holographie ist eine zweite Methode zur Erstellung holographischer Interferogramme. Ein Hologramm des unbelasteten Objekts wird erstellt. Dieses Hologramm wird mit einem Referenzstrahl beleuchtet, um ein Hologrammbild des Objekts zu erzeugen, das direkt dem ursprünglichen Objekt selbst überlagert ist, während das Objekt einer gewissen Belastung ausgesetzt ist. Die Objektwellen aus diesem Hologrammbild stören neue Wellen, die vom Objekt kommen. Diese Technik ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Formänderungen.
Die dritte Methode, die zeitgemittelte Holographie, beinhaltet die Erzeugung eines Hologramms, während das Objekt einer periodischen Belastung oder Vibration ausgesetzt ist. Dies ergibt ein visuelles Bild des Schwingungsmusters.
Abbildung 20. InSAR-Bild von Kilauea, Hawaii, das über einen Zeitraum von sechs Monaten durch die Verformung des Geländes verursachte Saum zeigt.
Abbildung 21. ESPI-Streifen, die einen Schwingungsmodus einer eingespannten quadratischen Platte zeigen
Interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur (InSAR) ist eine Radartechnik, die in der Geodäsie und Fernerkundung verwendet wird . Satelliten- Radarbilder mit synthetischer Apertur eines geografischen Merkmals werden an getrennten Tagen aufgenommen, und Änderungen, die zwischen Radarbildern stattgefunden haben, die an den verschiedenen Tagen aufgenommen wurden, werden als Streifen ähnlich denen aufgezeichnet, die bei der holographischen Interferometrie erhalten werden. Das Verfahren kann Deformationen im Zentimeter- bis Millimeterbereich als Folge von Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Erdrutschen überwachen und findet auch Anwendungen im Hochbau, insbesondere zur Überwachung von Setzungen und Standsicherheit. Abb. 20 zeigt Kilauea, einen aktiven Vulkan auf Hawaii. Mit dem X-Band Synthetic Aperture Radar der Raumfähre Endeavour am 13. April 1994 und 4. Oktober 1994 erfasste Daten wurden verwendet, um interferometrische Streifen zu erzeugen, die dem X-SAR-Bild von Kilauea überlagert wurden.
Die elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI), auch als TV-Holographie bekannt, verwendet Videodetektion und -aufzeichnung, um ein Bild des Objekts zu erzeugen, dem ein Streifenmuster überlagert ist, das die Verschiebung des Objekts zwischen den Aufnahmen darstellt. (siehe Abb. 21) Die Streifen sind ähnlich wie bei der holographischen Interferometrie.
Als Laser erstmals erfunden wurden, galt Laserspeckle als schwerwiegender Nachteil bei der Verwendung von Lasern zum Beleuchten von Objekten, insbesondere bei der holographischen Bildgebung wegen des erzeugten körnigen Bildes. Später wurde erkannt, dass Speckle-Muster Informationen über die Oberflächenverformungen des Objekts enthalten können. Butters und Leendertz entwickelten 1970 die Technik der Speckle-Muster-Interferometrie, und seitdem wurde Speckle in einer Vielzahl anderer Anwendungen genutzt. Eine Fotografie wird von dem Speckle-Muster vor der Deformation angefertigt, und eine zweite Fotografie wird von dem Speckle-Muster nach der Deformation angefertigt. Die digitale Subtraktion der beiden Bilder führt zu einem Korrelationsstreifenmuster, wobei die Streifen Linien gleicher Deformation darstellen. Mit kurzen Laserpulsen im Nanosekundenbereich lassen sich sehr schnelle transiente Ereignisse erfassen. Ein Phasenproblem existiert: In Ermangelung anderer Informationen, man kann nicht den Unterschied zwischen Konturlinien sagen , eine Spitze anzeigt , im Vergleich zu Konturlinien einen Trog angibt. Um das Problem der Phasenmehrdeutigkeit zu lösen, kann ESPI mit Phasenverschiebungsverfahren kombiniert werden.
Eine von Yrjö Väisälä erfundene Methode zur Ermittlung präziser geodätischer Basislinien nutzte die geringe Kohärenzlänge von weißem Licht. Anfänglich wurde weißes Licht in zwei Teile geteilt, wobei der Referenzstrahl „gefaltet“ wurde und sechsmal zwischen einem genau 1 m voneinander entfernten Spiegelpaar hin und her prallte. Nur wenn der Testpfad genau das 6-fache des Referenzpfads beträgt, sind Streifen zu sehen. Wiederholte Anwendungen dieses Verfahrens ermöglichten eine präzise Messung von Entfernungen bis zu 864 Metern. Auf diese Weise erstellte Basislinien wurden verwendet, um geodätische Entfernungsmessgeräte zu kalibrieren, was zu einer metrologisch rückführbaren Skala für mit diesen Instrumenten gemessene geodätische Netzwerke führte. (Diese Methode wurde durch GPS ersetzt.)
Andere Verwendungen von Interferometern waren die Untersuchung der Materialdispersion, die Messung komplexer Brechungsindizes und der thermischen Eigenschaften. Sie werden auch für dreidimensionale Bewegungsabbildungen verwendet, einschließlich der Abbildung von Schwingungsmustern von Strukturen.
Biologie und Medizin
Optische Interferometrie, die in Biologie und Medizin angewendet wird, bietet empfindliche Messfunktionen für die Messung von Biomolekülen, subzellulären Komponenten, Zellen und Geweben. Viele Formen markierungsfreier Biosensoren beruhen auf Interferometrie, da die direkte Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit lokaler molekularer Polarisierbarkeit den Bedarf an Fluoreszenz-Tags oder Nanopartikel-Markern überflüssig macht. In größerem Maßstab teilt die zelluläre Interferometrie Aspekte mit der Phasenkontrastmikroskopie, umfasst jedoch eine viel größere Klasse phasenempfindlicher optischer Konfigurationen, die auf optischer Interferenz zwischen zellulären Bestandteilen durch Brechung und Beugung beruhen. Auf Gewebeebene bietet die teilkohärente Vorwärtsstreulichtausbreitung durch die Mikroaberrationen und die Heterogenität der Gewebestruktur Möglichkeiten, phasensensitives Gating (optische Kohärenztomographie) sowie phasensensitive Fluktuationsspektroskopie zu verwenden, um subtile strukturelle und dynamische Eigenschaften abzubilden .
 Abbildung 22. Typischer optischer Aufbau eines Einzelpunkt-OCT |
 Abbildung 23. Zentrale seröse Retinopathie , abgebildet mit optischer Kohärenztomographie |
Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das eine Interferometrie mit niedriger Kohärenz verwendet, um eine tomographische Visualisierung von internen Gewebemikrostrukturen zu ermöglichen. Wie in Abb. 22 zu sehen ist, ist das Herzstück eines typischen OCT-Systems ein Michelson-Interferometer. Ein Interferometerarm wird auf die Gewebeprobe fokussiert und scannt die Probe in einem XY-Längsraster. Der andere Interferometerarm wird von einem Referenzspiegel reflektiert. Reflektiertes Licht von der Gewebeprobe wird mit reflektiertem Licht von der Referenz kombiniert. Aufgrund der geringen Kohärenz der Lichtquelle wird das interferometrische Signal nur über eine begrenzte Probentiefe beobachtet. XY-Scannen zeichnet daher jeweils eine dünne optische Schicht der Probe auf. Durch Ausführen mehrerer Scans und Bewegen des Referenzspiegels zwischen jedem Scan kann ein vollständiges dreidimensionales Bild des Gewebes rekonstruiert werden. Jüngste Fortschritte strebten danach, die Nanometer-Phasenwiederherstellung der kohärenten Interferometrie mit der Entfernungsmessungsfähigkeit der Interferometrie mit niedriger Kohärenz zu kombinieren.
Abbildung 24. Spyrogira-Zelle (vom Algenfilament abgelöst) unter Phasenkontrast
Abbildung 25. Toxoplasma gondii unsporulierte Oozyste, differentieller Interferenzkontrast
Abbildung 26. Hochauflösendes Phasenkontrast-Röntgenbild einer Spinne
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Phasenkontrast- und Differentialinterferenzkontrast (DIC)-Mikroskopie sind wichtige Werkzeuge in Biologie und Medizin. Die meisten tierischen Zellen und einzelligen Organismen haben sehr wenig Farbe, und ihre intrazellulären Organellen sind bei einfacher Hellfeldbeleuchtung fast vollständig unsichtbar . Diese Strukturen können durch Färben der Proben sichtbar gemacht werden , aber Färbeverfahren sind zeitaufwendig und töten die Zellen. Wie in den Abb. 24 und 25 ermöglichen Phasenkontrast- und DIC-Mikroskope die Untersuchung ungefärbter, lebender Zellen. DIC hat auch nicht-biologische Anwendungen, zum Beispiel bei der Analyse von planaren Silizium-Halbleiterprozessen .
Winkelaufgelöste Niederkohärenz - Interferometrie (a / LCI) Verwendungszwecke gestreute Licht der Größen subzellulärer Objekte zu messen, einschließlich Zellkerne. Dadurch können interferometrische Tiefenmessungen mit Dichtemessungen kombiniert werden. Es wurden verschiedene Korrelationen zwischen dem Gesundheitszustand des Gewebes und den Messungen von subzellulären Objekten gefunden. Es wurde beispielsweise festgestellt, dass die durchschnittliche Zellkerngröße zunimmt, wenn sich Gewebe von normal zu krebsartig verändert.
Die Phasenkontrast-Röntgenbildgebung (Abb. 26) bezieht sich auf eine Vielzahl von Techniken, die Phaseninformationen eines kohärenten Röntgenstrahls verwenden, um Weichgewebe abzubilden. (Für eine grundlegende Diskussion siehe Phasenkontrast-Röntgenbildgebung (Einführung) . Für eine eingehendere Übersicht siehe Phasenkontrast-Röntgenbildgebung .) Es hat sich zu einer wichtigen Methode zur Visualisierung zellulärer und histologischer Strukturen in a breites Spektrum an biologischen und medizinischen Studien. Es gibt mehrere Technologien, die für die Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung verwendet werden, die alle unterschiedliche Prinzipien verwenden, um Phasenvariationen der von einem Objekt ausgehenden Röntgenstrahlen in Intensitätsvariationen umzuwandeln. Dazu gehören ausbreitungsbasierter Phasenkontrast, Talbot- Interferometrie, Moiré- basierte Fernfeld-Interferometrie, refraktive Bildgebung und Röntgeninterferometrie. Diese Verfahren bieten im Vergleich zur normalen Absorptionskontrast-Röntgenbildgebung einen höheren Kontrast, wodurch es möglich ist, kleinere Details zu sehen. Ein Nachteil besteht darin, dass diese Verfahren anspruchsvollere Geräte erfordern, wie Synchrotron- oder Mikrofokus -Röntgenquellen, Röntgenoptiken oder hochauflösende Röntgendetektoren.
Siehe auch
- Kohärenz
- Kohärenz-Scanning-Interferometrie
- Feinsteuerungssensor (HST) (HST FGS sind Interferometer)
- Holographie
- Interferometrische Sichtbarkeit
- Interferenzlithographie
- Liste der Arten von Interferometern
- Ramsey-Interferometrie
- Seismische Interferometrie
- Prinzip der Superposition
- Interferometrie mit sehr langer Basislinie
- Nullabstandsfluss
Verweise
-
Medien im Zusammenhang mit Interferometrie bei Wikimedia Commons
