Interferometría

La interferometría  es una familia de técnicas en las que se suman ondas, normalmente ondas electromagnéticas , para producir el fenómeno de interferencia , que se utiliza para extraer información [1] . La interferometría es un importante método de investigación en los campos de la astronomía , la fibra óptica , la ingeniería metrológica , la metrología óptica, la oceanografía , la sismología , la espectroscopia (y sus aplicaciones en química ), la mecánica cuántica , la física nuclear y de partículas, la física del plasma , la teledetección, las interacciones biomoleculares . , perfilado de superficies, microhidrodinámica , mediciones de tensión/deformación mecánica, velocimetría y optometría [2] :1–2 .

Los interferómetros se utilizan ampliamente en la ciencia y la industria para medir pequeños desplazamientos, cambios en el índice de refracción e irregularidades superficiales. En la mayoría de los interferómetros, la luz de una sola fuente se divide en dos haces que viajan a lo largo de diferentes caminos ópticos, que luego se combinan nuevamente para crear un patrón de interferencia; sin embargo, bajo algunas circunstancias es posible crear interferencias de dos fuentes no coincidentes [3] . Las franjas de interferencia resultantes dan información sobre la diferencia en las longitudes de los caminos ópticos . En la ciencia analítica, los interferómetros se utilizan para medir la longitud y la forma de los componentes ópticos con precisión nanométrica; son los instrumentos más precisos para medir longitudes. En la espectroscopia de Fourier , se utilizan para analizar luz que contiene características de espectros de absorción o emisión asociados con una sustancia o mezcla. Un interferómetro astronómico consta de dos o más telescopios separados que combinan sus señales para ofrecer una resolución equivalente a la de un telescopio con un diámetro igual a la mayor distancia entre sus elementos individuales.

Principios básicos

La interferometría utiliza el principio de superposición para combinar ondas de tal manera que el resultado tenga alguna propiedad significativa que caracterice el estado inicial de las ondas. Esto funciona porque cuando se combinan dos ondas de la misma frecuencia , el patrón de intensidad resultante está determinado por la diferencia de fase entre las dos ondas originales: las ondas que están en fase interferirán constructivamente, las ondas que están fuera de fase exhibirán una interferencia destructiva. Las ondas que no están completamente en fase o no en antifase tienen una intensidad intermedia a partir de la cual se puede determinar su diferencia de fase relativa. La mayoría de los interferómetros usan luz o alguna otra forma de ondas electromagnéticas [2] :3–12 .

Por lo general (consulte la Figura 1, configuración conocida del experimento de Michelson), un rayo entrante de luz coherente se divide en dos haces idénticos mediante un divisor de haz (espejo parcialmente reflectante). Cada uno de estos haces sigue su propio camino, llamado camino óptico, y se combinan antes de llegar al fotodetector. La diferencia en el camino óptico, en este caso la diferencia en la distancia recorrida por cada haz, crea una diferencia de fase entre ellos. Es esta diferencia de fase aparente la que crea un patrón de interferencia entre ondas inicialmente idénticas [2] :14–17 . Si un haz se divide en dos, entonces la diferencia de fase es una característica de todo lo que cambia de fase a lo largo del camino óptico. Esto puede ser un cambio físico en la longitud del camino o un cambio en el índice de refracción a lo largo del camino :93–103 .

Como se ve en las Figuras 2a y 2b, el observador mira el espejo M 1 a través del divisor de haz y ve la imagen reflejada M ' 2 del espejo M 2 . Las franjas pueden interpretarse como el resultado de la interferencia entre la luz proveniente de dos imágenes virtuales de la fuente de luz S ′ 1 y S ′ 2 de la fuente original S. Las características del patrón de interferencia dependen de la naturaleza de la fuente de luz y la orientación exacta de los espejos y divisor de haz. En la Figura 2a, los elementos ópticos están orientados de modo que las fuentes S ′ 1 y S ′ 2 estén alineadas con el observador, y el patrón de interferencia resultante consta de círculos centrados a lo largo de la normal a M 1 y M' 2 . Si, como en la Figura 2b, M 1 y M ′ están inclinadas entre sí, entonces las franjas tienden a tomar la forma de secciones cónicas (hipérbolas), pero si M ′ 1 y M ′ 2 se superponen, entonces las franjas cerca los ejes son rectas paralelas equidistantes. Para una fuente puntual, o similarmente con un telescopio colocado en el infinito, el patrón de interferencia se muestra en la Figura 2a, pero si S no es una fuente puntual, entonces las franjas (ver Figura 2b) estarán localizadas en los espejos [2] : 17 _

El uso de luz blanca dará como resultado un patrón de rayas de colores (ver figura 3) [2] :26 . La banda central, que representa un camino de igual longitud, puede ser brillante u oscura dependiendo del número de inversiones de fase que experimentan los dos haces cuando pasan a través del sistema óptico. : 26,171–172 (consulte el interferómetro de Michelson para obtener más detalles)

Clasificación

Los interferómetros y los métodos interferométricos se pueden dividir según una serie de criterios:

Detección homodina o heterodina

En la detección homodina, la interferencia ocurre entre dos haces de la misma longitud de onda (o frecuencia portadora ). La diferencia de fase entre los dos haces da como resultado un cambio en la intensidad de la luz en el detector. Se mide la intensidad de la luz resultante después de mezclar estos dos haces, o se ve/graba un patrón de franjas de interferencia [4] . La mayoría de los interferómetros discutidos en este artículo pertenecen a esta categoría.

La heterodinación se usa para cambiar la señal de entrada a un nuevo rango de frecuencia, así como para amplificar una señal de entrada débil (suponiendo que se use un mezclador activo). La señal de entrada de frecuencia débil F 1 se mezcla con la referencia de frecuencia fuerte F 2 del oscilador local (LO). La combinación no lineal de señales de entrada crea dos nuevas señales, una para la suma f 1 + f 2 de las dos frecuencias y la otra para su diferencia f 1  - f 2 . Estas nuevas frecuencias se denominan "heterodinas". Por lo general, solo se necesita una de las nuevas frecuencias y la otra señal se filtra de la salida del mezclador. La señal de salida tiene una intensidad proporcional al producto de las amplitudes de las señales de entrada [4] .

La aplicación más importante y ampliamente utilizada de la tecnología heterodina es el receptor superheterodino (superheterodino), inventado por el ingeniero estadounidense Edwin Howard Armstrong en 1918. En este esquema, la señal de RF entrante de la antena se mezcla con la señal del oscilador local (LO) y se convierte mediante el método del oscilador local en una señal de frecuencia fija más baja llamada frecuencia intermedia (IF). Esta FI es amplificada y filtrada ante un detector que extrae la señal de audio y la envía al altavoz [5] .

La detección heterodina óptica es una extensión del método heterodino para frecuencias más altas (visibles) [4] .

Aunque la interferometría heterodina óptica se suele realizar en un único punto, también es posible realizarla en un campo amplio [6] .

Caminos ópticos duales y comunes

Un interferómetro de doble haz es aquel en el que el haz de referencia y el haz de medición viajan a lo largo de caminos ópticos diferentes. Algunos ejemplos son el interferómetro de Michelson , el interferómetro de Twyman-Green y el interferómetro de Mach-Zehnder . Después de interactuar con la muestra en estudio, el haz de medición se combina con el haz de referencia para crear un patrón de interferencia, que luego se puede interpretar [2] :13–22 .

Un interferómetro de camino común es una clase de interferómetros en los que el haz de referencia y el haz de medición siguen el mismo camino. Arroz. 4 ilustra un interferómetro Sagnac , un giroscopio de fibra óptica , un interferómetro de difracción puntual y un interferómetro de desplazamiento lateral. Otros ejemplos de interferómetros de camino común incluyen el microscopio de contraste de fase Zernike , el biprisma de Fresnel, el interferómetro de área cero de Sagnac y el interferómetro de placa difusa [7] .

División de frente de onda y división de amplitud

El interferómetro de división del frente de onda separa el frente de onda de luz que emerge de un punto o una rendija estrecha (es decir, luz espacialmente coherente) y, después de que las dos partes del frente de onda pasan por caminos diferentes, permite que se combinen. Arroz. 5 ilustra el experimento de interferencia de Young y el espejo de Lloyd . Otros ejemplos de un interferómetro de división de frente de onda son el biprisma de Fresnel, la bi-lente Billet y el interferómetro de Rayleigh [8] .

En 1803, el experimento de interferencia de Young jugó un papel importante en la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz. Si se utiliza luz blanca en el experimento de Young, se obtiene una franja central blanca de interferencia constructiva, que corresponde a un camino de igual longitud desde dos rendijas, rodeada por un patrón simétrico de franjas coloreadas de intensidad decreciente. Además de la radiación electromagnética continua, el experimento de Young se ha realizado con fotones individuales [9] , con electrones [10] [11] y con moléculas de fullereno lo suficientemente grandes como para verse con un microscopio electrónico .

El espejo de Lloyd genera franjas de interferencia al combinar la luz directa de una fuente (líneas azules) y la luz de una imagen fuente reflejada (líneas rojas) de un espejo sostenido con ángulos de incidencia bajos. El resultado es un patrón de rayas asimétricas. La banda de igual longitud de camino óptico más cercana al espejo es oscura en lugar de brillante. En 1834, Humphrey Lloyd interpretó este efecto como evidencia de que la fase del haz reflejado desde la superficie frontal estaba invertida [12] .

El interferómetro de amplitud dividida utiliza un reflector parcial para dividir la amplitud de la onda incidente en haces separados, que se dividen y combinan. Arroz. 6 ilustra los interferómetros de Fizeau, Mach-Zehnder y Fabry-Perot. Otros ejemplos de un interferómetro de división de amplitud incluyen el Michelson, Twyman-Green, láser de trayectoria no uniforme y el interferómetro de Linnik [13] .

El esquema óptico del interferómetro de Fizeau, para probar una placa plano-paralela, se muestra en la fig. 6. Se coloca una placa de referencia plana paralela calibrada encima de la placa de prueba separada por un espacio estrecho. El plano base de la oblea bajo prueba está ligeramente biselado (solo se necesita una pequeña cantidad de bisel) para evitar la formación de franjas de interferencia en la superficie posterior de la oblea. La separación de las placas de control y de ensayo permite inclinarlas entre sí. Al ajustar la pendiente, que agrega un gradiente de fase controlado al patrón de franjas, se puede controlar el espaciado y la dirección de las franjas para que se pueda obtener una serie fácilmente interpretable de franjas casi paralelas en lugar de líneas de contorno arremolinadas complejas. Sin embargo, la separación de las placas requiere la colimación de la luz incidente. Arroz. 6 muestra un haz colimado de luz monocromática que ilumina ambas placas y un divisor de haz que permite ver las franjas en el eje [14] [15] .

El interferómetro de Mach-Zehnder es un instrumento más versátil que el interferómetro de Michelson. Cada uno de los haces atraviesa los caminos ópticos suficientemente separados una sola vez, y las franjas pueden ajustarse para localizarse en cualquier plano deseado [2] :18 . Generalmente, las rayas se ajustarán para que queden en el mismo plano que el objeto de prueba, de modo que las rayas y el objeto de prueba puedan fotografiarse juntos. Si se toma la decisión de crear franjas en luz blanca, dado que la luz blanca tiene una longitud de coherencia limitada, del orden de micrómetros , se debe tener mucho cuidado para alinear los caminos ópticos, de lo contrario las franjas no serán visibles. Como se muestra en la fig. 6, las celdas de compensación se colocarán en la trayectoria del haz de referencia para que coincida con la celda que se está probando. Tenga en cuenta también la orientación exacta de los divisores de haz. Las superficies reflectantes de los divisores de haz deben orientarse de manera que los haces de prueba y de referencia atraviesen el mismo espesor de vidrio. Con esta orientación, cada uno de los dos haces experimenta dos reflexiones desde la superficie frontal, lo que corresponde al mismo número de inversiones de fase. Como resultado, la luz que pasa por las mismas longitudes de camino óptico en los caminos de prueba y de referencia crea una banda de luz blanca con interferencia constructiva en la pantalla [16] [17] .

El corazón del interferómetro de Fabry-Perot es un par de planos ópticos de vidrio parcialmente recubiertos de plata espaciados entre unos pocos milímetros y varios centímetros, con las superficies recubiertas de plata una frente a la otra. (Alternativamente, el "estándar" de Fabry-Perot usa una placa transparente con dos superficies reflectantes paralelas). :35–36 Al igual que con el interferómetro de Fizeau, los planos están ligeramente biselados. En un sistema típico, la iluminación la proporciona una fuente difusa colocada en el plano focal de una lente colimadora. La lente de enfoque produce lo que sería una imagen invertida de la fuente si no hubiera placas plano-paralelas; es decir, en su ausencia, toda la luz emitida desde el punto A, pasando por el sistema óptico, estará enfocada en el punto A'. En la fig. 6, solo se rastrea un haz, emitido desde el punto A en la fuente. A medida que el haz pasa a través de las placas plano-paralelas, se refleja muchas veces, creando muchos haces transmitidos que son recogidos por la lente de enfoque y forman una imagen en el punto A' de la pantalla. El patrón de interferencia completo parece un conjunto de anillos concéntricos. La claridad de los anillos depende de la reflectividad de las superficies. Si la reflectividad es alta, lo que da como resultado un factor Q alto , la luz monocromática crea un conjunto de anillos estrechos y brillantes sobre un fondo oscuro [18] . En la fig. 6, una imagen de baja definición corresponde a una reflectancia de 0,04 (es decir, una superficie no plateada) y una reflectancia de 0,95 para una imagen de alta definición.

Michelson y Morley (1887) [19] y otros experimentadores tempranos que utilizaron métodos interferométricos en un intento de medir las propiedades del éter luminífero utilizaron luz monocromática solo para la configuración inicial de su equipo, siempre cambiando a luz blanca para las mediciones reales. La razón es que las medidas se registraron visualmente. La luz monocromática daría como resultado franjas uniformes. Al carecer de medios modernos para controlar la temperatura ambiente , los experimentadores lucharon con la deriva constante, incluso si el interferómetro estaba instalado en un sótano. Dado que las rayas a veces desaparecen debido a las vibraciones de los vehículos tirados por caballos, tormentas eléctricas distantes y similares, será fácil para un observador "perderse" cuando las rayas vuelvan a ser visibles. Las ventajas de la luz blanca, que producía un patrón de franjas de colores distintos, superaban con creces la dificultad de configurar el dispositivo debido a su longitud de coherencia baja [20] . Este fue un ejemplo temprano del uso de luz blanca para resolver "incertidumbres de 2 pi".

Aplicaciones

Física y astronomía

En física, uno de los más significativos de fines del siglo XIX fue el famoso "experimento fallido" de Michelson y Morley , quienes proporcionaron evidencia de la relatividad especial . Las implementaciones modernas del experimento de Michelson-Morley se llevan a cabo utilizando mediciones heterodinas de frecuencias de latido en cavidades ópticas criogénicas cruzadas . Arroz. 7 ilustra un experimento de resonador realizado por Muller y otros en 2003 [21] . Dos cavidades ópticas hechas de zafiro cristalino, que controlan las frecuencias de dos láseres, se montaron en ángulo recto en un criostato de helio. El comparador de frecuencia midió la frecuencia de pulsación de las señales de salida combinadas de los dos resonadores. A partir de 2009, la precisión de medir la anisotropía de la velocidad de la luz en experimentos con resonadores está en el nivel de 10 −17 [22] [23] .

Los interferómetros de Michelson se utilizan en filtros ópticos sintonizables de banda estrecha [24] y como el principal componente de hardware de los espectrómetros de Fourier [25] .

Cuando se utilizan como un filtro de banda estrecha sintonizable, los interferómetros de Michelson tienen una serie de ventajas y desventajas sobre las tecnologías de la competencia, como los interferómetros de Fabry-Perot o los filtros de Lyot. Los interferómetros de Michelson tienen el mayor campo de visión para una longitud de onda determinada y son relativamente fáciles de operar porque la sintonización se realiza mediante la rotación mecánica de las placas de ondas en lugar de la conducción de alto voltaje de cristales piezoeléctricos o moduladores ópticos de niobato de litio como se usa en el sistema Fabry-Perot. . En comparación con los filtros de Lyot, que utilizan elementos birrefringentes, los interferómetros de Michelson tienen una sensibilidad a la temperatura relativamente baja. Por otro lado, los interferómetros de Michelson tienen un rango de longitud de onda relativamente limitado y requieren el uso de prefiltros que limitan la transmitancia [26] .

Arroz. 8 ilustra el funcionamiento de un espectrómetro de Fourier, que es esencialmente un interferómetro de Michelson con un solo espejo móvil. El interferograma se genera midiendo la señal en muchas posiciones discretas del espejo móvil. La transformada de Fourier convierte el interferograma en un espectro real [27] .

Los estándares Fabry-Perot de película delgada se utilizan en filtros de banda estrecha capaces de seleccionar selectivamente una línea espectral para la formación de imágenes; por ejemplo, la línea H-alfa o la línea Ca-K del Sol o las estrellas. Arroz. 10 muestra una imagen del Sol en el rango ultravioleta extremo a una longitud de onda de 195 A, correspondiente a la línea espectral de átomos de hierro multi-ionizados [28] . Para el rango ultravioleta extremo, se utilizan espejos reflectantes multicapa que están recubiertos con capas alternas de un elemento "espaciador" ligero (como el silicio) y un elemento "difusor" pesado (como el molibdeno). Se colocan aproximadamente 100 capas de cada tipo en cada espejo, cada una de unos 10 nm de espesor. El grosor de la capa está estrictamente controlado para que, en la longitud de onda deseada, los fotones reflejados de cada capa interfieran constructivamente.

El Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas por láser (LIGO) utiliza dos interferómetros Michelson-Fabry-Perot de 4 km para detectar ondas gravitacionales [29] . El resonador Fabry-Perot se utiliza para almacenar fotones durante casi un milisegundo mientras rebotan entre espejos. Esto aumenta el tiempo que la onda gravitacional puede interactuar con la luz, lo que resulta en una mejor sensibilidad a bajas frecuencias. Las cavidades más pequeñas, comúnmente denominadas limpiadores de modo, se utilizan para el filtrado espacial y la estabilización de frecuencia del láser principal. La primera observación de ondas gravitacionales ocurrió el 14 de septiembre de 2015 [30] .

El espacio de trabajo relativamente grande y de libre acceso del interferómetro de Mach-Zehnder, así como su flexibilidad en la disposición de las franjas, lo han convertido en el interferómetro elegido para la obtención de imágenes de flujo en túneles de viento [31] [32] y para los estudios de imágenes de flujo en general . . A menudo se utiliza en campos como la aerodinámica, la física del plasma y la transferencia de calor, y para medir las variaciones de presión, densidad y temperatura de los gases. :18.93–95

Los interferómetros de Mach-Zehnder también se utilizan para estudiar una de las predicciones más contrarias a la intuición de la mecánica cuántica, un fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico [33] [34] .

El interferómetro astronómico realiza observaciones de alta resolución utilizando técnicas de síntesis de apertura , mezclando señales de un grupo de telescopios relativamente pequeños en lugar de un solo telescopio monolítico muy costoso [35] .

Los primeros interferómetros radiotelescópicos usaban una línea de base única para la medición. Los interferómetros astronómicos más recientes, como el " Very Large Array " que se muestra en la Fig. 11, se utilizaron conjuntos de telescopios modelados en el suelo. El número limitado de niveles base da como resultado una cobertura insuficiente, que es menos crítica debido al uso de la rotación de la Tierra para rotar el conjunto de telescopios en relación con el cielo. Por lo tanto, una línea de base puede medir información en múltiples orientaciones al realizar mediciones repetidas utilizando una técnica llamada "síntesis de rotación de la Tierra". Los datos iniciales de referencia de miles de kilómetros se obtuvieron mediante interferometría de referencia muy larga [35] .

La interferometría óptica astronómica tuvo que superar una serie de problemas técnicos que la radiointerferometría no tenía. Las longitudes de onda cortas de luz requieren una precisión extrema y estabilidad estructural. Por ejemplo, una resolución espacial de 1 milisegundo requiere una estabilidad de aproximadamente 0,5 µm por 100 m de base. Las mediciones interferométricas ópticas requieren el uso de detectores de bajo ruido y alta sensibilidad, que no estuvieron disponibles hasta finales de la década de 1990. La visibilidad astronómica , la turbulencia que hace que las estrellas parpadeen, da como resultado cambios de fase rápidos y aleatorios en la luz entrante, lo que requiere que la tasa de adquisición de kilohercios sea más rápida que la tasa de turbulencia [37] [38] . A pesar de estas dificultades técnicas, alrededor de una docena de interferómetros ópticos astronómicos están actualmente en funcionamiento, proporcionando una resolución de hasta el rango de fracciones de milisegundo de arco. Este video vinculado muestra una película ensamblada a partir de imágenes usando síntesis de apertura para el sistema Beta Lyrae  , un sistema estelar binario ubicado aproximadamente a 960 años luz (290 parsecs) de distancia en la constelación de Lyra. Las observaciones se realizaron utilizando la matriz CHARA del instrumento MIRC. El componente más brillante es la estrella primaria o donante de masa. El componente más débil es el disco grueso que rodea a la estrella secundaria o receptor de masa. Los dos componentes están separados por una distancia de aproximadamente 1 milisegundo de arco. Las distorsiones de marea del donante de masa y del receptor de masa son claramente visibles [39] .

La naturaleza ondulatoria de la materia se puede utilizar para crear interferómetros. Los primeros ejemplos de interferómetros de materiales fueron los interferómetros de electrones, seguidos por los interferómetros de neutrones. Alrededor de 1990, se demostraron los primeros interferómetros atómicos, seguidos de interferómetros que utilizan moléculas [40] [41] [42] .

La holografía electrónica es una técnica de imagen que registra fotográficamente el patrón de interferencia electrónica de un objeto, que luego se reconstruye para producir una imagen muy ampliada del objeto original [43] . Este método fue desarrollado para proporcionar una resolución más alta en microscopía electrónica de lo que es posible con las técnicas de imagen convencionales. La resolución de la microscopía electrónica convencional no está limitada por la longitud de onda del electrón, sino por las grandes aberraciones de las lentes electrónicas.

La interferometría de neutrones se ha utilizado para estudiar el efecto Aharonov-Bohm , para estudiar los efectos de la gravedad en una partícula elemental y para demostrar el extraño comportamiento de los fermiones que subyace en el principio de Pauli : a diferencia de los objetos macroscópicos, cuando los fermiones se giran 360° alrededor de cualquier eje, no vuelven a su estado original, sino que adquieren un signo menos en su función de onda. En otras palabras, el fermión debe rotar 720° antes de volver a su estado original [44] .

Los métodos de interferometría atómica logran una precisión suficiente para realizar pruebas de laboratorio de relatividad general [45] .

Los interferómetros se utilizan en la física atmosférica para realizar mediciones muy precisas de las concentraciones de gases traza mediante la detección remota de la atmósfera. Hay varios ejemplos de interferómetros que utilizan las características de absorción o emisión de los gases. Las aplicaciones típicas incluyen el control continuo de la distribución de altura de los gases traza por encima del instrumento, como el ozono y el monóxido de carbono [46] .

Ingeniería y ciencias aplicadas

La interferometría de Newton (placa de prueba) se utiliza a menudo en la industria óptica para comprobar la calidad de las superficies. En la fig. 13 muestra fotografías de las placas de referencia utilizadas para probar las dos placas de prueba durante la fabricación en varias etapas de finalización, mostrando diferentes patrones de franjas. Las placas de referencia y de prueba están soportadas por sus superficies e iluminadas por una fuente de luz monocromática. Las ondas de luz reflejadas en ambas superficies interfieren, formando un patrón de bandas brillantes y oscuras. La superficie de la fotografía de la izquierda es casi plana, indicada por un patrón de franjas paralelas rectas a intervalos regulares. La superficie de la foto de la derecha es irregular, lo que da como resultado un patrón de rayas curvas. Cada par de franjas adyacentes representa una diferencia en la altura de la superficie por media longitud de onda de luz utilizada, por lo que las diferencias de altura se pueden medir contando el número de franjas. La planitud de las superficies se mide hasta millonésimas de centímetro usando este método. Se utilizan varios procedimientos para determinar si la superficie de prueba es cóncava o convexa con respecto al plano óptico de referencia. Puede observar cómo se desplazan los bordes cuando alguien presiona suavemente el plano superior. Si observa rayas en la luz blanca, la secuencia de colores se vuelve reconocible con la experiencia y ayuda a interpretar el patrón. Finalmente, podemos comparar el aspecto de las rayas al mover la cabeza de una posición normal a una inclinada. Estos métodos, si bien son comunes en la tienda de productos ópticos, no son adecuados en un entorno de prueba formal. Cuando las placas están listas para la venta, generalmente se instalan en un interferómetro Fizeau para la prueba y certificación oficial.

Los estándares de Fabry-Perot se utilizan ampliamente en telecomunicaciones , láseres y espectroscopia para controlar y medir las longitudes de onda de la luz. Los filtros de interferencia son estándares de película delgada multicapa . En telecomunicaciones, la multiplexación por división de longitud de onda , una tecnología que permite múltiples longitudes de onda de luz a través de una sola fibra óptica, depende de dispositivos de filtrado, que son referencias de película delgada. Los láseres monomodo utilizan estándares para suprimir todos los modos de la cavidad óptica, excepto uno de interés [2] :42 .

El interferómetro Twyman-Green, inventado por Twyman y Green en 1916, es una variante del interferómetro de Michelson ampliamente utilizado para probar componentes ópticos. Las principales características que la distinguen de la configuración de Michelson son el uso de una fuente de luz puntual monocromática y un colimador. Michelson en 1918 criticó la configuración del interferómetro Twyman-Green como inadecuada para probar piezas ópticas grandes porque las fuentes de luz disponibles en ese momento tenían una longitud de coherencia limitada . Michelson señaló que las limitaciones en el tamaño de las partes ópticas probadas, causadas por la longitud de coherencia limitada, requieren el uso de un espejo de referencia del mismo tamaño que el espejo de prueba, lo que hace que el esquema Twyman-Green sea poco práctico para muchos propósitos [ 47] . Décadas más tarde, con la llegada de las fuentes de luz láser, la crítica de Michelson ya no era relevante. Ahora, el interferómetro Twyman-Green que usa una fuente de luz láser y una longitud de camino óptico desigual se conoce como interferómetro láser de camino desigual. La figura 14 ilustra el uso de un interferómetro Twyman-Green para probar una lente. La luz de una fuente puntual monocromática se expande en un haz divergente mediante una lente divergente (no se muestra en la figura) y luego se colima en un haz paralelo. Un espejo esférico convexo se coloca de modo que su centro de curvatura coincida con el foco de la lente bajo prueba. El sistema de visualización registra la interferencia de dos haces, que pasan a través de la lente probada y se reflejan en el espejo plano, para analizar los defectos de la lente probada [48] .

Los interferómetros de Mach-Zehnder se utilizan en circuitos ópticos integrados , en los que se produce una interferencia de luz entre haces de dos ramas de guía de ondas que se modulan externamente para cambiar su fase relativa. Una ligera inclinación de uno de los divisores de haz dará como resultado una diferencia en la trayectoria y un cambio en el patrón de interferencia. Sobre la base del interferómetro de Mach-Zehnder, se han creado muchos dispositivos, desde moduladores de RF hasta sensores [49] [50] e interruptores ópticos [51] .

Los telescopios astronómicos extremadamente grandes propuestos recientemente , como el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Extremadamente Grande , tendrán un diseño segmentado. Sus espejos principales se construirán a partir de cientos de segmentos de espejos hexagonales. Pulir y mecanizar estos segmentos de espejo altamente asféricos en lugar de rotacionalmente simétricos es una tarea desafiante. Las herramientas de prueba óptica tradicionales comparan la superficie con una referencia esférica utilizando un desplazamiento cero. En los últimos años, los hologramas calculados por computadora han comenzado a complementar los correctores de cero en configuraciones de prueba para superficies asféricas complejas. La figura 15 ilustra este principio. En contraste con la figura, los hologramas reales calculados por computadora tienen intervalos de línea de 1 a 10 µm. Cuando la luz láser pasa a través de ellos, el haz de frente de onda de orden cero difractado no sufre ningún cambio. Sin embargo, el frente de onda del haz difractado de primer orden cambia según la forma deseada de la superficie de prueba. En esta configuración de prueba de interferómetro de Fizeau, un haz difractado de orden cero se dirige hacia una superficie de referencia esférica y un haz difractado de primer orden se dirige hacia la superficie de prueba de manera que los dos haces reflejados se combinan para formar franjas de interferencia. Para los espejos más internos, se puede usar la misma configuración de prueba que para los más externos, lo que requiere solo el reemplazo de los hologramas calculados por computadora [52] .

Los giroscopios láser de anillo (RLG) y los giroscopios de fibra óptica (FOG) son interferómetros que se utilizan en los sistemas de navegación. Su trabajo se basa en el efecto Sagnac . La diferencia entre RLG y FOG es que en RLG todo el anillo es parte del láser, mientras que en FOG el láser externo inyecta haces de contrapropagación en el anillo de fibra , y la rotación del sistema provoca un cambio de fase relativo entre estos haces. En RLG el cambio de fase observado es proporcional a la rotación acumulada, mientras que en FOG el cambio de fase observado es proporcional a la velocidad angular [53] .

En las redes de telecomunicaciones, la heterodinación se utiliza para mover las frecuencias de señales individuales a diferentes canales que pueden compartir la misma línea de transmisión física. Esto se llama multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, el cable coaxial que usa un sistema de televisión por cable puede llevar 500 canales de televisión al mismo tiempo, ya que cada uno tiene una frecuencia diferente para que no interfieran entre sí. Los detectores de radar Doppler de onda continua (CW) son básicamente dispositivos detectores heterodinos que comparan los haces transmitidos y reflejados [54] .

La detección heterodina óptica se utiliza para mediciones lidar Doppler coherentes capaces de detectar luz muy tenue dispersada en la atmósfera y rastrear la velocidad del viento con alta precisión. Se utiliza en la comunicación por fibra óptica , en varios métodos espectroscópicos de alta resolución, y el método autoheterodino se puede utilizar para medir el ancho de línea de un láser [4] [55] .

La detección heterodina óptica es una técnica importante utilizada para mediciones de alta precisión de las frecuencias de fuentes ópticas, así como para estabilizar sus frecuencias. Hasta hace unos años, se requerían largas cadenas de frecuencias para conectar la frecuencia de microondas del cesio u otra fuente atómica de tiempo a las frecuencias ópticas. En cada paso de la cadena , se utilizó un multiplicador de frecuencia para crear un armónico de frecuencia, que se comparó mediante detección heterodina en el siguiente paso (señal de salida de una fuente de microondas, láser infrarrojo lejano, láser infrarrojo o láser óptico). Cada medición de una línea espectral requirió varios años de esfuerzo para construir una cadena de frecuencia personalizada. Los peines de frecuencia óptica ahora proporcionan una forma mucho más sencilla de medir las frecuencias ópticas. Si un láser de bloqueo de modo se modula para producir un tren de pulsos, su espectro consiste en una frecuencia portadora rodeada por una cresta de banda lateral óptica poco espaciada con una distancia igual a la frecuencia de repetición del pulso (Fig. 16). La tasa de repetición del pulso está fijada a la frecuencia del estándar de frecuencia , y las frecuencias de peine en el extremo rojo del espectro se duplican y heterodinan con las frecuencias de los elementos de peine en el extremo azul del espectro, lo que permite utilizar el peine. como su propia referencia. Por lo tanto, vincular la salida del peine de frecuencia al estándar atómico se realiza en un solo paso. Para medir una frecuencia desconocida, la salida de la cresta de frecuencia se distribuye por el espectro. La frecuencia desconocida se superpone con el segmento espectral correspondiente del peine y se mide la frecuencia de los latidos heterodinos resultantes [56] [57] .

Una de las aplicaciones industriales más comunes de la interferometría óptica es como una herramienta de medición versátil para estudios de topografía de superficie de alta precisión. Los métodos populares de medición interferométrica incluyen la interferometría de cambio de fase (PSI) [58] y la interferometría de barrido vertical (VSI) [59] , también conocida como interferometría de barrido de luz blanca (SWLI) o en la terminología ISO, interferometría de barrido coherente (CSI) [60] . CSI utiliza la coherencia para ampliar la gama de posibilidades de la microscopía de interferencia [61] [62] . Estos métodos son ampliamente utilizados en la producción de microelectrónica y en microóptica. FSI utiliza luz monocromática y proporciona mediciones muy precisas; sin embargo, solo se usa para superficies muy lisas. CSI a menudo usa luz blanca y aperturas numéricas altas, y en lugar de mirar la fase de las bandas, como se hace en CSI, encuentra la mejor posición de la banda de máximo contraste o alguna otra característica de la imagen completa. En su forma más simple, CSI proporciona mediciones menos precisas que FSI, pero puede usarse en superficies irregulares. Algunas configuraciones de CSI, también conocidas como VSI mejorado (EVSI), SWLI de alta resolución o análisis de dominio de frecuencia (FDA), usan efectos de coherencia en combinación con interferencia de fase para mejorar la precisión [63] [64] .

La interferometría de fase resuelve varios problemas relacionados con el análisis clásico de interferogramas estáticos. Clásicamente, se mide la posición de los centros de las bandas periféricas. Como se ve en la Fig. 13, la ruptura de las franjas y el espaciado igual proporcionan una medida de aberración. Los errores en la ubicación de los centros de las franjas proporcionan un límite inherente a la precisión del análisis clásico, y cualquier cambio en la intensidad del interferograma también aumentará el error. Existe un equilibrio entre la precisión y la cantidad de puntos de datos: las bandas poco espaciadas proporcionan muchos puntos de datos con baja precisión, mientras que las bandas muy espaciadas proporcionan pocos puntos de datos con alta precisión. Dado que los datos marginales son todo lo que se utiliza en el análisis clásico, se descarta toda otra información que puede obtenerse teóricamente mediante un análisis detallado de las variaciones de intensidad en el interferograma [65] [66] . Finalmente, para interferogramas estáticos, se necesita información adicional para determinar la polaridad del frente de onda: en la Fig. 13 muestra que la superficie de prueba de la derecha se desvía del plano, pero no es posible determinar a partir de esta única imagen si esta desviación del plano es cóncava o convexa. Tradicionalmente, esta información se obtiene por medios manuales, como observar la dirección en la que se mueven las tiras cuando se presiona la superficie de apoyo [67] .

La interferometría de cambio de fase supera estas limitaciones al confiar no en encontrar los centros de las bandas, sino en recopilar datos de intensidad en cada punto de la imagen CCD . Como se ve en la fig. 17, se analizan varios interferogramas (al menos tres) con la superficie óptica de referencia desplazada una longitud de onda fraccionaria entre cada exposición utilizando un transductor piezoeléctrico . Alternativamente, se introducen cambios de fase precisos mediante la modulación de la frecuencia del láser [68] . Las imágenes capturadas son procesadas por una computadora para calcular los errores del frente de onda óptico. La precisión y reproducibilidad del FSI es mucho mayor de lo que es posible con un análisis estático del interferograma, y ​​es una práctica común repetir las mediciones para una centésima de longitud de onda [65] [66] . La tecnología de cambio de fase ha sido adaptada para varios tipos de interferómetros como Twyman-Green, Mach-Zehnder, láser Fizeau e incluso configuraciones de trayectoria comunes como difracción puntual e interferómetros de desplazamiento lateral [67] [69] . En términos más generales, los métodos de cambio de fase se pueden adaptar a prácticamente cualquier sistema que utilice franjas para la medición, como la interferometría holográfica y moteada.

En la interferometría de barrido coherente (CSI) [70] , la interferencia se logra solo cuando los retrasos a lo largo de la longitud del camino del interferómetro coinciden con el tiempo de coherencia de la fuente de luz. En CSI, se controla el contraste de las franjas, no la fase de las franjas [2] :105 . Arroz. 17 ilustra un microscopio XI usando un interferómetro Mirau en el objetivo. Otros tipos de interferómetro que utilizan luz blanca incluyen el interferómetro de Michelson (para objetivos de bajo aumento donde el espejo de referencia en la lente Mirau cubrirá una gran parte de la apertura ) y el interferómetro de Linnik (para objetivos de gran aumento con distancia de trabajo limitada) [71] . La muestra o lente se mueve verticalmente sobre todo el rango de altura de la muestra, y para cada píxel se determina la posición del máximo contraste de banda [61] [72] . La principal ventaja de la interferometría de barrido coherente es que se puede utilizar para desarrollar sistemas que eliminen la ambigüedad 2π de la interferometría coherente [73] [74] [75] y, como se ve en la Fig. 18, donde se escanea el área de 180x140x10 µm, es muy adecuado para perfilar escalones en altura y superficies rugosas. La resolución axial del sistema está determinada en parte por la longitud de coherencia de la fuente de luz [76] [77] . Las aplicaciones industriales incluyen la inspección de superficies durante la fabricación, la medición de la rugosidad, el perfilado de superficies en 3D en lugares de difícil acceso y en entornos corrosivos, el perfilado de superficies con grandes diferencias de altura (ranuras, canales, orificios) y la medición del espesor de la película (en los semiconductores y ópticos). industrias, etc.) [78] [79] .

Arroz. 19 ilustra un interferómetro Twyman-Green para escanear el perfil de un objeto macroscópico usando luz blanca.

La interferometría holográfica es una técnica que utiliza la holografía para detectar pequeñas deformaciones utilizando una única longitud de onda. En implementaciones multionda, se utiliza para metrología dimensional de piezas y ensamblajes grandes y para la detección de defectos superficiales más grandes [2] :111–120 .

La interferometría holográfica se descubrió por accidente debido a errores cometidos en la fabricación de hologramas. Los primeros láseres tenían una potencia relativamente baja y las placas fotográficas eran de baja sensibilidad, lo que requería largos tiempos de exposición durante los cuales podían producirse vibraciones o ligeros desplazamientos en el sistema óptico. Los hologramas resultantes, que representan un objeto holográfico cubierto de rayas, se consideraron defectuosos [80] .

Eventualmente, varios grupos independientes de experimentadores se dieron cuenta a mediados de la década de 1960 de que las franjas codificaban información importante sobre los cambios dimensionales que ocurrían en el objeto y comenzaron a producir intencionalmente exposiciones dobles holográficas [81] .

La holografía de exposición doble y múltiple es uno de los tres métodos utilizados para obtener interferogramas holográficos. La primera exposición registra el holograma del objeto sin tensión mecánica. Las exposiciones posteriores en la misma placa fotográfica se realizan cuando el sujeto está sometido a algún estrés. La imagen combinada muestra la diferencia entre los estados estresados ​​y no estresados ​​[82] .

La holografía en tiempo real es el segundo método para crear interferogramas holográficos. Se crea un holograma de un objeto descargado. Este holograma se ilumina con un haz de referencia para producir una imagen holográfica del objeto directamente superpuesta sobre el propio objeto original durante alguna tensión sobre el objeto. Los rayos del holograma del objeto interfieren con las nuevas ondas provenientes del objeto. Este método permite el seguimiento en tiempo real de los cambios de forma [82] .

El tercer método, la holografía promediada en el tiempo, consiste en obtener un holograma de un objeto cargado o que vibra periódicamente. Este método le permite visualizar vibraciones [82] .

El radar interferométrico de apertura sintética (InSAR) es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Las imágenes de radar de satélite con apertura sintética de un objeto geográfico se toman en días diferentes, y los cambios que se producen entre las imágenes de radar obtenidas en días diferentes se registran en forma de bandas similares a las obtenidas con interferometría holográfica. Este método puede medir la deformación de la superficie terrestre en escalas centimétricas y milimétricas como resultado de terremotos, erupciones volcánicas y deslizamientos de tierra, y también aplicarlo en ingeniería arquitectónica, en particular, para estudiar hundimientos y estabilidad estructural. Arroz. 20 muestra Kilauea, un volcán activo en Hawái. Los datos del radar de apertura sintética de banda X Endeavour del 13 de abril de 1994 y el 4 de octubre de 1994 se utilizaron para crear franjas interferométricas que se superpusieron a la imagen de Kilauea en X-SAR [83] .

La interferometría de motas electrónicas (ESPI), también conocida como holografía de televisión, utiliza detección y grabación de video para producir una imagen de un objeto superpuesto con un patrón de rayas que representa el desplazamiento del objeto entre grabaciones (consulte la Figura 21). Las bandas son similares a las obtenidas en interferometría holográfica [2] :111–120 [84] .

Cuando se inventaron los láseres, las motas láser se consideraron una seria desventaja cuando se usaban láseres para iluminar objetos, especialmente en imágenes holográficas, debido al moteado resultante de la imagen causado por la coherencia, las llamadas motas. Más tarde quedó claro que los patrones de motas pueden llevar información sobre las deformaciones de la superficie de un objeto. Butters y Leenderz desarrollaron la técnica de la interferometría de motas en 1970 [85] y, desde entonces, las motas se han utilizado en otras aplicaciones. Deje que la primera fotografía de la mota se tome antes de la deformación y que la segunda fotografía se tome después de la deformación. La resta digital de estas dos imágenes da como resultado un patrón de correlación de franjas, donde las franjas son líneas de igual tensión. Se utilizan pulsos de láser cortos en el rango de nanosegundos para capturar transitorios muy rápidos. Hay un problema de fase: en ausencia de otra información, no es posible distinguir la diferencia entre las líneas de contorno que indican el pico en función de las líneas de contorno que indican los valles. Para resolver el problema de la ambigüedad de fase, ESPI se combina con métodos de cambio de fase [86] [87] .

El método para establecer líneas geodésicas precisas , inventado por Irjö Väisälä , utilizaba la longitud coherente baja de la luz blanca. Inicialmente, la luz blanca se dividió en dos partes, con el haz de referencia "doblado" seis veces, reflejándose de un lado a otro entre un par de espejos separados por 1 m. Solo si la ruta de prueba fuera exactamente 6 veces más grande, la ruta de referencia se vería con rayas. Las aplicaciones repetidas de este procedimiento hicieron posible medir con precisión distancias de hasta 864 metros. Los datos iniciales así establecidos se utilizaron para calibrar equipos, para medir distancias geodésicas, lo que resultó en una escala trazable metrológicamente para las redes geodésicas medidas por estos instrumentos [88] . (Este método ha sido reemplazado por GPS).

Otras aplicaciones de los interferómetros incluyen el estudio de la dispersión de materiales, la medición de índices de refracción complejos y la medición de propiedades térmicas. También se utilizan para el mapeo de movimiento en 3D, incluido el mapeo de las estructuras vibratorias de las estructuras [63] .

Biología y medicina

La interferometría óptica, utilizada en biología y medicina, proporciona capacidades metrológicas sensibles para medir biomoléculas, componentes subcelulares, células y tejidos [89] . Muchas formas de biosensores sin etiquetas se basan en la interferometría, ya que la interacción directa de los campos electromagnéticos con la polarizabilidad local de las moléculas elimina la necesidad de etiquetas fluorescentes o marcadores de nanopartículas. En una escala más amplia, la interferometría celular comparte aspectos con la microscopía de contraste de fase, pero incluye una clase mucho mayor de configuraciones ópticas sensibles a la fase que se basan en la interferencia óptica entre los componentes celulares a través de la refracción y la difracción. A la escala del tejido, la propagación parcialmente coherente de la luz dispersada hacia adelante a través de microaberraciones y la falta de homogeneidad de la estructura del tejido hace posible el uso de la activación sensible a la fase (tomografía de coherencia óptica), así como la espectroscopia de fluctuación sensible a la fase para obtener una estructura fina y dinámica. propiedades.


Figura 22. Configuración óptica típica de un OCT de un solo punto
Figura 23. Retinopatía serosa central visualizada por tomografía de coherencia óptica

La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica de imagen médica que utiliza interferometría de baja coherencia para proporcionar imágenes tomográficas de microestructuras tisulares internas. Como se ve en la fig. 22, el núcleo de un sistema OCT típico es el interferómetro de Michelson. El haz de un brazo del interferómetro se enfoca en la muestra de tejido y escanea la muestra en un patrón de trama XY longitudinal. El haz del otro brazo del interferómetro se refleja en el espejo de referencia. La luz reflejada del tejido de muestra se combina con la luz de referencia reflejada. Debido a la baja coherencia de la fuente de luz, la señal interferométrica se observa solo a una profundidad de muestra limitada. Por lo tanto, el escaneo XY registra una sección óptica delgada de la muestra a la vez. Al realizar múltiples escaneos y mover el espejo de referencia entre cada escaneo, se puede reconstruir una imagen 3D completa del tejido [90] [91] . Los avances recientes han buscado combinar la interferometría coherente de fase nanométrica con la capacidad de rango de interferometría de baja coherencia [63] .

El contraste de fase y la microscopía de contraste de interferencia diferencial (DIC) son herramientas importantes en biología y medicina. La mayoría de las células animales y los organismos unicelulares tienen muy poco color y sus orgánulos intracelulares son prácticamente invisibles bajo una simple iluminación de campo brillante. Estas estructuras pueden hacerse visibles tiñendo las muestras, pero los procedimientos de tinción consumen mucho tiempo y matan las células. Como se ve en la fig. 24 y 25, los microscopios de contraste de fase y DIC permiten estudiar células vivas no teñidas [92] . DIC también tiene aplicaciones no biológicas, como el análisis del procesamiento de semiconductores de silicio .

La interferometría de resolución angular de baja coherencia (a/LCI) utiliza la luz dispersa para medir el tamaño de los objetos subcelulares, incluidos los núcleos celulares . Esto hace posible combinar medidas de interferometría de profundidad con medidas de densidad. Se han encontrado varias correlaciones entre el estado de salud de los tejidos y las mediciones de las entidades subcelulares. Por ejemplo, se ha encontrado que cuando el tejido cambia de normal a canceroso, el tamaño promedio de los núcleos celulares aumenta [93] [94] .

La radiografía de contraste de fase (Fig. 26) se refiere a una variedad de técnicas que utilizan información sobre la fase de un haz de rayos X coherente para obtener imágenes del tejido blando. Se ha convertido en un método importante para visualizar estructuras celulares e histológicas en una amplia gama de investigaciones biológicas y médicas. Hay varias tecnologías que se utilizan para obtener imágenes de rayos X de contraste, todas las cuales utilizan diferentes principios para convertir los cambios de fase en los rayos X de un objeto en cambios de intensidad [95] [96] . Estos incluyen el contraste de fase basado en la propagación [97] , la interferometría de Talbot , la interferometría de campo lejano basada en muaré [98] , la obtención de imágenes con mejora de la refracción [99] y la interferometría de rayos X [100] . Estos métodos proporcionan un mayor contraste que las imágenes de rayos X convencionales con absorción de contraste, lo que permite ver detalles más finos. La desventaja es que estos métodos requieren equipos más sofisticados, como fuentes de rayos X de sincrotrón o microfoco , óptica de rayos X o detectores de rayos X de alta resolución.

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