Co to jest interferometr Mach-Zehndera?

Interferometr Mach-Zehndera jest urządzeniem służącym do wykonywania precyzyjnych pomiarów optycznych. Może wykazać interferencję poprzez rozdzielenie wiązki światła i pomiar przesunięć fazowych między nimi. Ponad sto lat temu urządzenie zostało stworzone przez wybitnych fizyków Ludwiga Zehndera i Ludwiga Macha. Wszechstronne narzędzie diagnostyczne, interferometr Macha-Zehndera służy do zilustrowania przykładów z fizyki kwantowej, aerodynamiki i fizyki plazmy. Powietrze przepływa wokół struktur aerodynamicznych i można zaobserwować zmiany temperatury, ciśnienie i gęstość w ośrodkach gazowych.

Podstawowymi elementami interferometru są źródło światła, dwa dzielniki wiązki, dwa zwierciadła i dwa detektory. Rozdzielacz wiązki jest najczęściej półsrebrzonym lustrem, które załamuje część wiązki światła i odbija resztę. Światło ze źródła światła, zwykle lasera, pada na rozdzielacz wiązki, który dzieli światło na dwie wiązki o jednakowej intensywności. Wiązki poruszają się w różnych kierunkach i uderzają w dwa lustra. Faza każdej wiązki światła jest zmieniana przez jej kontakt z powierzchnią lustra.

Wiązki są ponownie łączone w drugim rozdzielaczu wiązki, a detektory pomagają w badaniu różnic fazowych na ścieżkach światła. W alternatywnym układzie rekombinowane wiązki przechodzą przez soczewkę dodatnią, powodując skupienie wiązek w jednym punkcie. Jeżeli wszystkie powierzchnie odbijające są ustawione w taki sposób, że są absolutnie równoległe, nie powstają prążki interferencyjne, gdy wiązki ponownie się łączą. Jeśli jednak kąty powierzchni lustrzanych różnią się nawet nieznacznie, wówczas zrekombinowane wiązki wytwarzają prążki interferencyjne. Wzór prążków interferencyjnych wytworzony przez interferometr Macha-Zehndera pokazuje ciemne i jasne linie o różnej intensywności.

Urządzenie jest niezwykle czułe i może nawet działać jak dokładny termometr. Na przykład komórkę wypełnioną wodą można umieścić na ścieżce jednej z dzielonych belek, a inną wypełnioną powietrzem można umieścić na drugiej ścieżce. Współczynnik załamania płynów, takich jak woda, zależy od temperatury, a jeśli woda w komórce ulegnie nawet niewielkiej zmianie temperatury, efekt jest widoczny na wynikowym wzorze prążków. Za pomocą interferometru Mach-Zehndera można zmierzyć bardzo drobne zmiany temperatury wody.

Ważne jest, aby rozumieć optykę podczas korzystania z interferometru Mach-Zehndera do wykonywania dokładnych pomiarów. Kiedy światło pada na powierzchnię, światło odbite przesuwa się dokładnie o połowę długości fali, jeśli materiał po drugiej stronie powierzchni ma wyższy współczynnik załamania światła. Jeśli współczynnik załamania światła tego materiału jest niższy, wówczas nie ma zmiany fazowej w odbijanej wiązce. Kiedy światło przemieszcza się z jednego ośrodka do drugiego, nie następuje również zmiana fazy, ale zmienia się kierunek wiązki z powodu załamania.

Interferometr Macha-Zehndera można również wykorzystać do badania współczynnika załamania gazów, a nawet do sprawdzania płaskości obiektów. Pomiar niedokładności optycznych na płytce lub powierzchni można również przeprowadzić za pomocą interferometru. Niektórzy naukowcy używają również interferometru w aplikacjach do wizualizacji przepływu, stosując technikę dyskryminacji świetlnej do obserwowania zmian.