Cos'è l'interferometro Mach-Zehnder?
L'interferometro Mach-Zehnder è un dispositivo utilizzato per effettuare misurazioni ottiche precise. Può dimostrare l'interferenza dividendo un raggio di luce e misurando gli sfasamenti tra i due. Più di un secolo fa, il dispositivo è stato creato dai fisici di spicco Ludwig Zehnder e Ludwig Mach. Uno strumento diagnostico versatile, l'interferometro Mach-Zehnder viene utilizzato per illustrare esempi di fisica quantistica, aerodinamica e fisica del plasma. I flussi d'aria attorno alle strutture aerodinamiche e si possono osservare variazioni di temperatura, pressione e densità nei mezzi gassosi.
I componenti di base dell'interferometro sono una sorgente luminosa, due divisori di raggio, due specchi e due rivelatori. Il divisore di raggio è spesso uno specchio semiagentato che rifrange una parte del raggio luminoso e riflette il resto. La luce proveniente da una fonte di luce, in genere un laser, cade su un divisore di raggio, che divide la luce in due fasci di uguale intensità. I raggi viaggiano in diverse direzioni e colpiscono i due specchi. La fase di ciascun raggio di luce viene modificata dal suo contatto con la superficie dello specchio.
I raggi sono ricombinati nel secondo splitter di raggio e i rivelatori aiutano lo studio delle differenze di fase nei percorsi di luce. Una disposizione alternativa prevede che i raggi ricombinati attraversino una lente positiva, facendo sì che i raggi si focalizzino in un singolo punto. Se tutte le superfici riflettenti sono allineate in modo tale da essere assolutamente parallele, non si producono frange di interferenza quando i raggi si ricombinano. Se gli angoli delle superfici dello specchio differiscono anche leggermente, tuttavia, i raggi ricombinati producono frange di interferenza. Il modello di frangia di interferenza prodotto dall'interferometro Mach-Zehnder mostrerà linee scure e luminose che variano di intensità.
Il dispositivo è estremamente sensibile e può persino fungere da termometro accurato. Ad esempio, una cella riempita con acqua potrebbe essere posizionata nel percorso di una delle travi divise, mentre un'altra riempita con aria potrebbe essere posizionata nell'altro percorso. L'indice di rifrazione di fluidi come l'acqua dipende dalla temperatura e se l'acqua nella cellula subisce anche un leggero cambiamento di temperatura, l'effetto si vede nel modello di frangia risultante. È possibile misurare variazioni minime della temperatura dell'acqua con l'interferometro Mach-Zehnder.
È importante avere una comprensione dell'ottica quando si utilizza un interferometro Mach-Zehnder per effettuare misurazioni accurate. Quando la luce cade su una superficie, la luce riflessa si sposta esattamente della metà di una lunghezza d'onda se il materiale sull'altro lato della superficie possiede un indice di rifrazione più elevato. Se l'indice di rifrazione di questo materiale è inferiore, non vi è alcun cambiamento di fase nel raggio riflesso. Quando la luce viaggia da un mezzo a un altro, non vi è alcun cambiamento di fase, ma la direzione del raggio cambia a causa della rifrazione.
L'interferometro Mach-Zehnder può anche essere utilizzato per studiare l'indice di rifrazione dei gas e persino controllare la planarità degli oggetti. La misurazione delle imprecisioni ottiche in una piastra o superficie può essere condotta anche con l'aiuto dell'interferometro. Alcuni scienziati usano anche l'interferometro nelle applicazioni di visualizzazione del flusso impiegando la tecnica della discriminazione leggera per osservare i cambiamenti.