Интерферометр

Интерферометр — это измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции волн (электромагнитных, акустических или квантовых). Интерферометры позволяют с высокой точностью измерять длины волн, расстояния, показатели преломления сред, угловые размеры источников излучения, а также исследовать структуру поверхностей и спектральный состав излучения.

История

Идея использования интерференции для измерений восходит к опытам Томаса Юнга (1801 год), который впервые продемонстрировал интерференцию света от двух щелей. Однако первый специализированный интерферометр был создан в 1881 году американским физиком Альбертом Майкельсоном. Прибор, названный интерферометром Майкельсона, предназначался для проверки гипотезы о существовании «светоносного эфира» и впоследствии был использован в знаменитом опыте Майкельсона — Морли (1887 год), который показал независимость скорости света от движения Земли. В 1892 году Майкельсон совместно с Эдвардом Морли усовершенствовал прибор, применив его для измерения длины эталона метра в длинах волн кадмиевой линии.

В 1899 году российский физик Пётр Лебедев создал интерферометр для измерения давления света на твёрдые тела, а в 1902 году — для исследования спектров. В 1910-х годах французский физик Шарль Фабри и Альфред Перо разработали интерферометр Фабри — Перо, ставший ключевым инструментом спектроскопии. В 1920 году Альберт Майкельсон использовал свой интерферометр для измерения диаметра звезды Бетельгейзе, что стало первым прямым измерением углового размера звезды.

В 1960-х годах с развитием лазеров интерферометрия получила новый импульс: лазерное излучение с высокой когерентностью позволило создавать длиннобазовые интерферометры для гравитационно-волновой астрономии. В 2015 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (США) впервые зарегистрировала гравитационные волны, что было отмечено Нобелевской премией по физике в 2017 году.

Принцип действия

В основе работы любого интерферометра лежит разделение исходной волны на два или более когерентных пучка, которые проходят различные оптические пути и затем сводятся вместе. При наложении этих пучков возникает интерференционная картина — чередование максимумов и минимумов интенсивности. Разность хода между пучками определяется геометрией прибора и свойствами исследуемой среды. Изменение разности хода на половину длины волны приводит к смещению интерференционных полос на одно деление, что позволяет измерять чрезвычайно малые перемещения (вплоть до долей нанометра).

Для получения когерентных пучков используются различные методы:

• Деление волнового фронта (например, в опыте Юнга или в бипризме Френеля).
• Деление амплитуды (с помощью полупрозрачных зеркал, как в интерферометре Майкельсона).

Классификация

Интерферометры классифицируют по нескольким признакам.

По типу используемого излучения

• Оптические (видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение).
• Радиоинтерферометры (радиоволны, в том числе с очень длинными базами — РСДБ).
• Акустические (звуковые и ультразвуковые волны).
• Рентгеновские (рентгеновское излучение).

По конструктивному исполнению

• Интерферометр Майкельсона — классическая схема с двумя зеркалами и светоделителем. Широко применяется в метрологии, спектроскопии и для тестирования оптики.
• Интерферометр Фабри — Перо — многолучевой интерферометр, состоящий из двух параллельных полупрозрачных зеркал. Используется в спектроскопии высокого разрешения, лазерной технике и в качестве эталона длины.
• Интерферометр Маха — Цендера — схема с двумя светоделителями и двумя зеркалами, позволяющая независимо изменять длину путей в каждом плече. Применяется в голографии, квантовой оптике и для исследования плазмы.
• Интерферометр Тваймана — Грина — модификация интерферометра Майкельсона для контроля качества оптических поверхностей.
• Сдвиговый интерферометр — прибор, в котором интерферируют две копии волнового фронта, сдвинутые друг относительно друга. Используется для анализа формы волнового фронта.

По назначению

• Метрологические — для измерения длин, перемещений, углов.
• Спектральные — для анализа спектрального состава излучения (Фурье-спектрометры).
• Астрономические — для измерения угловых размеров звёзд, двойных систем и для апертурного синтеза.
• Гравитационно-волновые — для регистрации гравитационных волн (LIGO, VIRGO, KAGRA).
• Голографические — для записи и восстановления голограмм.

Применение

Метрология и промышленность

Интерферометры являются основой эталонов длины. Современное определение метра (с 1983 года) основано на длине волны света, воспроизводимой с помощью интерферометра. В промышленности интерферометры используются для контроля точности станков, измерения плоскостности и шероховатости поверхностей, калибровки измерительных систем. Например, интерферометр Тваймана — Грина позволяет выявлять дефекты оптических линз и зеркал с точностью до долей длины волны.

Научные исследования

В физике интерферометры применяются для измерения показателей преломления газов и жидкостей, для исследования теплового расширения материалов, для изучения тонкой структуры спектров. В квантовой оптике интерферометры используются для проверки фундаментальных принципов квантовой механики, например, в экспериментах по квантовой запутанности. В астрономии радиоинтерферометры с очень длинными базами (РСДБ) позволяют получать изображения с угловым разрешением, недостижимым для одиночных телескопов. В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope, представляющий собой глобальную сеть радиоинтерферометров, получил первое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87.

Гравитационно-волновая астрономия

Лазерные интерферометры LIGO (США) и VIRGO (Италия) имеют плечи длиной 4 км и 3 км соответственно. Они способны регистрировать изменения расстояния между зеркалами, вызванные прохождением гравитационной волны, с точностью до 10⁻¹⁹ метра — в тысячи раз меньше диаметра протона. Первое прямое обнаружение гравитационных волн в сентябре 2015 года подтвердило предсказания общей теории относительности Эйнштейна и открыло новое окно в астрофизику.

Медицина

В оптической когерентной томографии (ОКТ) используется принцип интерферометрии для получения изображений биологических тканей с микронным разрешением. ОКТ широко применяется в офтальмологии для диагностики заболеваний сетчатки, а также в кардиологии и дерматологии.

Интересные факты

• В 1920 году Майкельсон измерил диаметр звезды Бетельгейзе, получив значение около 300 миллионов километров — это было первое прямое измерение углового размера звезды, отличной от Солнца.
• Интерферометр Фабри — Перо является основой для лазерных резонаторов: два зеркала, образующие резонатор, работают как интерферометр, обеспечивая селекцию продольных мод.
• В 1970-х годах советские учёные под руководством В. Б. Брагинского разработали методы квантового ограничения чувствительности интерферометров, что впоследствии было использовано в проекте LIGO.
• Самый большой в мире радиоинтерферометр — РСДБ-сеть, объединяющая радиотелескопы на разных континентах, имеет эффективный диаметр, равный диаметру Земли (около 12 700 км).
• В 2017 году за создание интерферометра LIGO и регистрацию гравитационных волн Нобелевскую премию по физике получили Райнер Вайсс, Барри Бэрриш и Кип Торн.

Источники

• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.
• Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. — М.: Мир, 1973.
• Аббот Б. П. и др. (коллаборация LIGO Scientific и Virgo). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger // Physical Review Letters. — 2016. — Т. 116, № 6.
• Event Horizon Telescope Collaboration. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole // The Astrophysical Journal Letters. — 2019. — Т. 875, № 1.