Was ist das Mach-Zehnder-Interferometer?
Das Mach-Zehnder-Interferometer ist ein Gerät, mit dem präzise optische Messungen durchgeführt werden können. Es kann Interferenz demonstrieren, indem ein Lichtstrahl geteilt und die Phasenverschiebungen zwischen den beiden gemessen werden. Vor mehr als einem Jahrhundert wurde das Gerät von den prominenten Physikern Ludwig Zehnder und Ludwig Mach entwickelt. Das Mach-Zehnder-Interferometer ist ein vielseitiges Diagnosewerkzeug, mit dem Beispiele aus der Quantenphysik, der Aerodynamik und der Plasmaphysik veranschaulicht werden. Luft strömt um aerodynamische Strukturen und es können Temperaturänderungen, Druck und Dichte in gasförmigen Medien beobachtet werden.
Die Grundkomponenten des Interferometers sind eine Lichtquelle, zwei Strahlteiler, zwei Spiegel und zwei Detektoren. Der Strahlteiler ist meist ein halbversilberter Spiegel, der einen Teil des Lichtstrahls bricht und den Rest reflektiert. Licht von einer Lichtquelle, typischerweise einem Laser, fällt auf einen Strahlteiler, der das Licht in zwei Strahlen gleicher Intensität aufteilt. Die Strahlen bewegen sich in verschiedene Richtungen und treffen auf die beiden Spiegel. Die Phase jedes Lichtstrahls ändert sich durch seinen Kontakt mit der Spiegeloberfläche.
Die Strahlen werden im zweiten Strahlteiler rekombiniert und Detektoren helfen bei der Untersuchung der Phasendifferenzen in den Lichtwegen. Bei einer alternativen Anordnung laufen die rekombinierten Strahlen durch eine positive Linse, wodurch die Strahlen an einem einzelnen Punkt fokussiert werden. Wenn alle reflektierenden Flächen absolut parallel ausgerichtet sind, entstehen bei der Rekombination der Strahlen keine Interferenzstreifen. Wenn sich die Winkel der Spiegelflächen jedoch auch nur geringfügig unterscheiden, erzeugen die rekombinierten Strahlen Interferenzstreifen. Das vom Mach-Zehnder-Interferometer erzeugte Interferenzstreifenmuster zeigt dunkle und helle Linien mit unterschiedlicher Intensität.
Das Gerät ist extrem empfindlich und kann sogar als genaues Thermometer eingesetzt werden. Beispielsweise könnte eine mit Wasser gefüllte Zelle in den Weg eines der geteilten Strahlen gelegt werden, während eine andere mit Luft gefüllte Zelle in den anderen Weg gelegt werden könnte. Der Brechungsindex von Flüssigkeiten wie Wasser hängt von der Temperatur ab, und wenn das Wasser in der Zelle nur eine geringe Temperaturänderung erfährt, ist der Effekt im resultierenden Streifenmuster zu sehen. Mit dem Mach-Zehnder-Interferometer können kleinste Änderungen der Wassertemperatur gemessen werden.
Wenn Sie ein Mach-Zehnder-Interferometer verwenden, ist es wichtig, die Optik zu verstehen, um genaue Messungen durchzuführen. Wenn Licht auf eine Oberfläche fällt, verschiebt sich das reflektierte Licht genau um eine halbe Wellenlänge, wenn das Material auf der anderen Seite der Oberfläche einen höheren Brechungsindex besitzt. Wenn der Brechungsindex dieses Materials niedriger ist, gibt es keine Phasenänderung im reflektierten Strahl. Wenn Licht von einem Medium in ein anderes wandert, gibt es auch keine Phasenänderung, aber die Richtung des Strahls ändert sich aufgrund der Brechung.
Das Mach-Zehnder-Interferometer kann auch zur Untersuchung des Brechungsindex von Gasen und sogar zur Überprüfung der Ebenheit von Objekten verwendet werden. Mit Hilfe des Interferometers können auch optische Ungenauigkeiten in einer Platte oder Oberfläche gemessen werden. Einige Wissenschaftler verwenden das Interferometer auch in Anwendungen zur Flussvisualisierung, indem sie die Technik der Lichtdiskriminierung anwenden, um Änderungen zu beobachten.