Принцип интерференции в измерениях
Интерферометрические методы основаны на явлении интерференции света — когерентного сложения волн, приводящего к появлению устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. Изменения в условиях распространения света (например, смещение зеркала, изменение показателя преломления, длины волны или фазы) приводят к сдвигу интерференционной картины. Именно это используется в качестве основы для прецизионных измерений в оптике.
Для регистрации изменений интерференционной картины требуется высокая степень когерентности используемого излучения, что обеспечивается применением лазеров, интерференционных фильтров, когерентных источников с большой длиной когерентности.
Классификация интерферометрических методов
Интерферометрические методы делятся по различным критериям:
По типу интерферометра:
По характеру измеряемых величин:
По способу анализа интерференционной картины:
Интерферометр Майкельсона
Одним из наиболее широко используемых является интерферометр Майкельсона. Он состоит из полупрозрачного делителя пучка, двух зеркал и системы наблюдения интерференционной картины. Один из лучей, отражённый от зеркала, возвращается к делителю, где интерферирует с другим лучом, прошедшим другой путь. Изменение положения одного из зеркал вызывает сдвиг интерференционных полос.
Периодичность появления полос позволяет с высокой точностью определить изменение длины пути. При сдвиге зеркала на величину, равную половине длины волны, интерференционная полоса смещается на один период. Это позволяет производить измерения перемещений с точностью до долей длины волны.
Преимущества:
Применения:
Интерферометр Фабри–Перо
Этот интерферометр основан на многократных отражениях между двумя почти параллельными полупрозрачными зеркалами. В результате возникает многоходовая интерференция, дающая резонансные пики в зависимости от длины волны и толщины просвета между зеркалами.
Формула интерференции:
2ndcos θ = mλ
где n — показатель преломления, d — расстояние между зеркалами, θ — угол падения, m — порядок интерференции, λ — длина волны.
Основные характеристики:
Применения:
Интерферометр Маха–Цендера
В этой схеме два пучка света проходят по разным независимым плечам и затем интерферируют. Это позволяет включить в одно из плеч исследуемую среду или объект. Изменения в оптической плотности среды, температуре, давлении или концентрации вещества приводят к изменению фазы и, следовательно, к сдвигу полос.
Преимущества:
Голографическая интерферометрия
Метод основан на регистрации полного волнового фронта объекта с использованием лазерной голографии. Сравнение двух голограмм, полученных до и после воздействия на объект, позволяет получить интерференционную картину изменений.
Преимущества:
Применяется для:
Цифровая интерферометрия
Современные методы измерения опираются на цифровую регистрацию интерференционной картины с последующим анализом изображения. Используются ПЗС-камеры (CCD), высокоточные аналого-цифровые преобразователи, алгоритмы фазового сдвига и численного восстановления волнового фронта.
Метод фазового сдвига (PSI) позволяет определить фазу волны в каждой точке с точностью до долей радиана. Это достигается путём поочерёдной съёмки серии интерферограмм с известным сдвигом фаз.
Основные применения:
Интерферометрические методы в метрологии
Особое значение интерферометрия имеет в метрологии — науке о измерениях. Стандарты длины, такие как эталон метра, с 1983 года определяются через длину волны света, а значит — через интерференцию. Это позволило достичь исключительной точности в передаче и воспроизведении единиц измерения.
Интерферометрия лежит в основе:
Интерферометрия в оптическом тестировании и визуализации
В оптике интерферометрия используется как средство анализа волнового фронта. Поверхности линз, зеркал, объективов тестируются на отклонения от идеальной формы с помощью сравнения интерферограммы с эталонным фронтом. Метод позволяет выявлять аберрации, неровности, дефекты.
Популярные системы:
Такие системы находят применение в производстве прецизионной оптики, литографии, лазерной индустрии, телескопостроении.
Чувствительность и разрешающая способность
Чувствительность интерферометрических методов ограничивается когерентностью источника, стабильностью оптической схемы и шумами регистрации. Современные методы позволяют достигать разрешения на уровне нанометров и даже пикометров.
Резолюция зависит от:
Для повышения точности используются вакуумные камеры, пассивная и активная виброизоляция, фазовые локальные петли, обратная связь и температурная стабилизация.
Заключительное замечание о значимости метода
Интерферометрия — один из наиболее точных и универсальных методов в современной физике и технике. От фундаментальных исследований до промышленной метрологии, от диагностики материалов до биомедицинской визуализации — интерферометрические методы обеспечивают высочайшую точность, недостижимую другими оптическими средствами.