Интерферометрия

Интерферометрия — это совокупность методов и средств измерения, основанных на явлении интерференции волн, чаще всего электромагнитных (световых, радиоволн) или акустических. Интерферометрия позволяет с высокой точностью измерять расстояния, изменения длины, показатели преломления сред, угловые размеры источников излучения, а также исследовать структуру поверхностей и волновых фронтов. Основным инструментом для реализации этих методов является интерферометр — измерительный прибор, в котором волны разделяются на два или более когерентных пучка, проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе, образуя интерференционную картину.

История

Основы интерферометрии были заложены в начале XIX века. В 1801 году английский физик Томас Юнг впервые провёл эксперимент с двумя щелями, продемонстрировав интерференцию света и подтвердив волновую природу света. Этот опыт считается первым прототипом интерферометра.

В 1881 году американский физик Альберт Майкельсон создал интерферометр собственной конструкции, который впоследствии стал классическим. Совместно с Эдвардом Морли в 1887 году он провёл знаменитый эксперимент Майкельсона — Морли, который опроверг гипотезу о существовании светоносного эфира и заложил основы специальной теории относительности. Интерферометр Майкельсона позволил измерять сдвиг интерференционных полос с точностью до долей длины волны.

В XX веке интерферометрия получила развитие в различных областях. В 1950-х годах появились радиоинтерферометры, позволившие объединять сигналы от нескольких радиотелескопов для достижения углового разрешения, недоступного одиночным инструментам. В 1960-х годах с изобретением лазеров интерферометрия стала значительно точнее и доступнее, так как лазерное излучение обладает высокой когерентностью. В 2015 году гравитационно-волновая обсерватория LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) впервые зарегистрировала гравитационные волны, используя гигантские интерферометры Майкельсона с плечами длиной 4 км.

Физические принципы

Интерферометрия основана на суперпозиции волн. Если две когерентные волны (с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз) складываются, то в зависимости от разности хода возникает либо усиление (конструктивная интерференция), либо ослабление (деструктивная интерференция) результирующей волны.

Разность хода Δ между двумя лучами определяется геометрической разностью длин путей и изменением показателя преломления среды. Для света в вакууме условие максимума интерференции записывается как Δ = mλ, где m — целое число (порядок интерференции), λ — длина волны. Условие минимума: Δ = (m + 1/2)λ.

Интерференционная картина представляет собой чередование тёмных и светлых полос (или колец), расстояние между которыми пропорционально длине волны и обратно пропорционально разности хода. Измеряя смещение полос, можно с высокой точностью определить изменение разности хода, а следовательно, и измеряемую величину.

Классификация интерферометров

Интерферометры классифицируются по различным признакам: типу используемого излучения, схеме разделения лучей, числу лучей и назначению.

По типу излучения

• Оптические интерферометры — работают в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Наиболее распространены.
• Радиоинтерферометры — используются в радиоастрономии для наблюдения космических источников.
• Акустические интерферометры — применяются для измерения скорости звука и свойств сред.
• Интерферометры для рентгеновского излучения — используются в материаловедении и кристаллографии.

По схеме разделения лучей

• Интерферометр Майкельсона — классическая схема с разделением луча светоделителем на два плеча, отражением от зеркал и последующим сведением. Используется в метрологии, спектроскопии, гравитационно-волновой астрономии.
• Интерферометр Фабри — Перо — многолучевой интерферометр, состоящий из двух параллельных полупрозрачных зеркал. Свет многократно отражается между ними, создавая узкие резонансные пики. Применяется в лазерной технике, спектроскопии высокого разрешения, в качестве оптического резонатора.
• Интерферометр Маха — Цендера — схема с двумя светоделителями и двумя зеркалами, позволяющая получить два пространственно разделённых пучка. Используется в аэродинамике для визуализации потоков газа, в квантовой оптике.
• Интерферометр Саньяка — кольцевой интерферометр, в котором свет распространяется по замкнутому контуру в противоположных направлениях. Чувствителен к вращению (эффект Саньяка). Применяется в волоконно-оптических и лазерных гироскопах.
• Интерферометр Рэлея — двухлучевой интерферометр, предназначенный для измерения малых разностей показателей преломления жидкостей и газов.

По числу лучей

• Двухлучевые интерферометры (Майкельсона, Маха — Цендера) — дают синусоидальную интерференционную картину.
• Многолучевые интерферометры (Фабри — Перо) — создают резкие, узкие полосы, что повышает точность измерений.

Применение

Интерферометрия нашла широкое применение в науке, технике и промышленности.

Метрология и прецизионные измерения

• Измерение длины и перемещений: лазерные интерферометры используются для калибровки станков, контроля точности позиционирования в микроэлектронике, эталонирования мер длины. Точность достигает нанометрового диапазона.
• Измерение показателя преломления: интерферометры Рэлея и Жамена применяются для анализа состава газов и жидкостей.
• Контроль формы поверхностей: интерферометры Физо и Тваймана — Грина позволяют выявлять дефекты оптических деталей с точностью до долей длины волны.

Астрономия и астрофизика

• Радиоинтерферометрия: объединение сигналов от нескольких радиотелескопов, разнесённых на тысячи километров (метод РСДБ — радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами), позволяет получать изображения с угловым разрешением до микросекунд дуги. Это даёт возможность изучать структуру активных ядер галактик, пульсаров, звёздных систем.
• Оптическая интерферометрия: используется для измерения угловых диаметров звёзд, обнаружения экзопланет, изучения двойных систем. Примеры — интерферометры на телескопах VLT (Very Large Telescope) в Чили.
• Гравитационно-волновая астрономия: детекторы LIGO, Virgo, KAGRA представляют собой гигантские интерферометры Майкельсона, способные регистрировать изменения длины плеч на 10⁻¹⁸ м, вызванные прохождением гравитационных волн.

Спектроскопия

• Фурье-спектрометры на основе интерферометра Майкельсона позволяют получать спектры с высоким разрешением в широком диапазоне длин волн. Применяются в химическом анализе, экологическом мониторинге, астрофизике.

Оптическая когерентная томография (ОКТ)

• Метод медицинской диагностики, использующий низкокогерентную интерферометрию для получения изображений биологических тканей на глубине до нескольких миллиметров. Широко применяется в офтальмологии, дерматологии, кардиологии.

Голография и интерферометрия деформаций

• Голографическая интерферометрия позволяет визуализировать микродеформации, вибрации и температурные поля объектов. Метод используется в неразрушающем контроле, авиастроении, машиностроении.

Интересные факты

• В 1887 году эксперимент Майкельсона — Морли, проведённый с помощью интерферометра, дал нулевой результат, что стало одним из ключевых доказательств отсутствия эфира и привело к созданию теории относительности.
• Точность современных лазерных интерферометров такова, что они способны регистрировать смещения, сравнимые с диаметром атома (около 10⁻¹⁰ м).
• В 2017 году за открытие гравитационных волн, сделанное с помощью интерферометров LIGO, была присуждена Нобелевская премия по физике Райнеру Вайссу, Барри Баришу и Кипу Торну.
• В России разработкой и применением интерферометрических методов занимаются в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова, Институте лазерной физики СО РАН, а также в ряде университетов и обсерваторий (например, Специальная астрофизическая обсерватория РАН).

Критика и ограничения

Основные ограничения интерферометрии связаны с требованиями к когерентности источника излучения и стабильности условий окружающей среды. Вибрации, температурные колебания, акустические шумы могут вносить значительные погрешности. Для высокоточных измерений требуется использование систем активной стабилизации, вакуумирования и термоизоляции. Кроме того, классические интерферометры чувствительны к фазовым шумам, что ограничивает их применение в условиях сильных помех. В оптической интерферометрии также существует проблема ограничения по длине когерентности — для измерений на больших расстояниях требуются источники с очень высокой когерентностью (например, стабилизированные лазеры).

Источники

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
2. Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.
3. Коломийцев Ю. В. Интерферометры. Основы теории, расчёт, применение. — Л.: Машиностроение, 1976.
4. Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М.: Наука, 1982.
5. Торн К. Интерферометрические детекторы гравитационных волн // Успехи физических наук. — 2001. — Т. 171, № 10.
6. Материалы сайта LIGO Scientific Collaboration (www.ligo.org).