O que é o interferômetro Mach-Zehnder?
O interferômetro Mach-Zehnder é um dispositivo usado para fazer medições ópticas precisas. Ele pode demonstrar interferência dividindo um feixe de luz e medindo as mudanças de fase entre os dois. Mais de um século atrás, o dispositivo foi criado pelos físicos proeminentes Ludwig Zehnder e Ludwig Mach. Uma ferramenta de diagnóstico versátil, o interferômetro Mach-Zehnder é usado para ilustrar exemplos em física quântica, aerodinâmica e física de plasma. Podem ser observados fluxos de ar em torno de estruturas aerodinâmicas e mudanças de temperatura, pressão e densidade em meios gasosos.
Os componentes básicos do interferômetro são uma fonte de luz, dois divisores de feixe, dois espelhos e dois detectores. O divisor de feixe costuma ser um espelho de prata que refrata uma parte do feixe de luz e reflete o restante. A luz de uma fonte de luz, normalmente um laser, cai em um divisor de feixe, que divide a luz em dois feixes de igual intensidade. Os raios viajam em direções diferentes e atingem os dois espelhos. A fase de cada feixe de luz é alterada pelo contato com a superfície do espelho.
Os feixes são recombinados no segundo divisor de feixe, e os detectores auxiliam no estudo das diferenças de fase nos caminhos da luz. Um arranjo alternativo faz com que os feixes recombinados passem através de uma lente positiva, fazendo com que os feixes se concentrem em um único ponto. Se todas as superfícies refletivas estiverem alinhadas de modo a serem absolutamente paralelas, nenhuma franja de interferência será produzida quando os feixes forem recombinados. Porém, se os ângulos das superfícies dos espelhos diferirem um pouco, os feixes recombinados produzem franjas de interferência. O padrão de franja de interferência produzido pelo interferômetro Mach-Zehnder mostrará linhas escuras e brilhantes que variam em intensidade.
O dispositivo é extremamente sensível e pode até funcionar como um termômetro preciso. Por exemplo, uma célula cheia de água pode ser colocada no caminho de um dos raios divididos, enquanto outra cheia de ar pode ser colocada no outro caminho. O índice de refração de fluidos como a água depende da temperatura e, se a água na célula sofrer uma ligeira mudança de temperatura, o efeito será observado no padrão de franja resultante. É possível medir mudanças muito pequenas na temperatura da água com o interferômetro Mach-Zehnder.
É importante entender as ópticas ao usar um interferômetro Mach-Zehnder para fazer medições precisas. Quando a luz cai sobre uma superfície, a luz refletida muda em exatamente metade do comprimento de onda se o material do outro lado da superfície possuir um índice de refração mais alto. Se o índice de refração desse material for menor, não haverá mudança de fase no feixe refletido. Quando a luz viaja de um meio para outro, também não há mudança de fase, mas a direção do feixe muda por causa da refração.
O interferômetro Mach-Zehnder também pode ser usado para estudar o índice de refração de gases e até verificar a planicidade dos objetos. A medição de imprecisões ópticas em uma placa ou superfície também pode ser realizada com o auxílio do interferômetro. Alguns cientistas também usam o interferômetro em aplicações de visualização de fluxo, empregando a técnica de discriminação da luz para observar mudanças.