Interferometrie

Acest articol sau secțiune despre astronomie nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citate din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor . Urmați sfaturile de proiectare de referință .

În fizică, interferometria este o metodă de măsurare care exploatează interferența dintre mai multe unde care sunt coerente între ele, folosind instrumente numite interferometre , permițând măsurători ale lungimilor de undă , distanțelor și deplasărilor de același ordin de mărime ca lungimea d. Unde utilizate; de asemenea, măsoară viteza de propagare a luminii în diferite medii și pentru diferiți indici de refracție .

În consecință, Interferometria se dovedește a fi o tehnică important de diagnostic și / sau de investigație utilizate în diverse domenii , cum ar fi astronomie , fibre optice , metrologie inginerie, metrologie optica, oceanografia , seismologie , mecanica cuantică , fizica plasmei , teledetecție , analiza medico - legală.

Principii de baza

Același subiect în detaliu: interferențe (fizică) și interferometru .

Calea luminii printr-un interferometru Michelson .

Interferometria folosește principiul suprapunerii , conform căruia unda rezultată din combinația de unde separate ( interferență ) are proprietăți legate de cele ale stării inițiale a undelor.

În special, atunci când două unde cu aceeași frecvență se combină, unda rezultată depinde de diferența de fază dintre cele două unde: undele aflate în fază vor suferi interferențe constructive, în timp ce undele care sunt defazate vor suferi interferențe distructive.

Majoritatea interferometrelor folosesc lumina sau alte forme de unde electromagnetice .

De obicei, o singură rază de lumină de intrare este împărțită în două raze identice printr-o rețea sau o oglindă semireflectorizantă. Fiecare dintre aceste raze va parcurge o cale diferită, numită cale optică , înainte de a fi recombinate împreună într-un detector datorită oglinzilor reflectante; diferența de cale optică creează o diferență de fază între cele două semnale recombinate.

Diferența de fază, care poate fi măsurată cu precizie în termeni de interferență constructivă sau distructivă, se poate datora lungimii diferite a traiectoriei în sine sau unei modificări a indicelui de refracție de -a lungul căii, putând astfel urmări fiecare dintre acești parametri.

Detectare homodină

O determinare interferometrică ideală a lungimii de undă, obținută prin examinarea franjurilor de interferență dintre razele coerente recombinate după ce acestea au parcurs distanțe diferite. (Sursa este simbolizată ca un bec, dar în practică este un laser .)

În interferometrie , interferența apare între razele cu aceeași lungime de undă (sau frecvență purtătoare).

Diferențele de fază dintre cele două fascicule au ca rezultat o schimbare a intensității luminii pe un detector. Măsura intensității luminii rezultate după amestecarea acestor două raze este cunoscută sub numele de detectare homodină.

În detectarea homodină pentru o anumită defazare relativă, ieșirea este un nivel de semnal constant (DC). Acest nivel este legat indirect de schimbarea fazei.

Dacă valorile minime și maxime posibile ale nivelului semnalului sunt cunoscute (după o calibrare), atunci poate fi calculată defazarea relativă.

În practică, calibrarea precisă este dificilă, deoarece fasciculele optice:

1. s-ar putea să nu fie perfect aliniat,
2. nu sunt adevărate unde plane
3. ei experimentează de obicei atenuarea cu o funcție necunoscută dependentă de timp pe unul dintre brațele interferometrului

Detectare heterodină

În detectarea heterodină, una dintre cele două fascicule este modulată, de obicei prin variația frecvenței, înainte de detectare.

Un caz special de detectare heterodină este detectarea optică heterodină , care detectează interferențele în frecvența bătăilor . Semnalul de undă oscilează între nivelurile minim și maxim la fiecare ciclu al frecvenței bătăilor. Deoarece modulația este cunoscută, faza relativă a frecvenței bătăilor poate fi măsurată foarte precis, chiar dacă intensitățile razelor variază (ușor). Această fază are aceeași valoare cu cea măsurată în cazul homodin.

Există multe avantaje suplimentare ale detectării optice heterodine, inclusiv un raport semnal / zgomot mai bun atunci când unul dintre cele două fascicule este slab.

Unele interferometre

Interferometre de diviziune front de undă

Vorbim despre un interferometru al diviziunii frontului de undă atunci când undele care interferează provin din diferite puncte ale undei.

Cea mai simplă modalitate de a face interferență este de a utiliza fantele lui Young, care sunt pur și simplu două sloturi plasate una lângă alta la o distanță adecvată mică de lungimea de undă. Acestea permit împărțirea fasciculului de lumină în două părți, care sunt apoi făcute să interfereze (un exemplu de imagine obținută este cel opus).

O rețea de difracție constă dintr-o serie de fante. Prin urmare, este, în anumite privințe, o generalizare a fantelor lui Young, deoarece fasciculul de lumină este împărțit în numeroase părți care interferează între ele. Cu toate acestea, rareori este considerat un interferometru în sine, dar poate fi utilizat împreună cu alte echipamente, cum ar fi goniometrul .

Interferometre de diviziune a amplitudinii

Interferențe obținute cu un interferometru Fabry-Pérot.

Vorbim de un interferometru de diviziune a amplitudinii atunci când undele interferente derivă din divizarea în mai multe fascicule ale amplitudinii undei pe întreaga sa suprafață. Acești interferometri sunt adesea de o calitate mai bună și, prin urmare, sunt utilizați în măsurători optice de precizie.

Principiul unui interferometru Michelson este să împartă fasciculul de lumină incident în două, după ce a ieșit din fază un fascicul față de celălalt și, în cele din urmă, să le facă să interfereze: este o interferență cu două unde.

Interferometrul Mach-Zehnder și interferometrul Sagnac funcționează pe același principiu ca și cel anterior, dar scopul lor este diferit.

O interferometru a Fabry-Perot este constituită din două lame paralele , între care lumina menține mișcare și retur, iar fracțiunile slabe rezultate la fiecare călătorie dus - întors interfera unele cu altele: este vorba de mai multe valuri de interferență.

Prisma Wollaston poate fi utilizată pentru a efectua interferometrie.

Exemple de aplicații

Interferometria astronomică

Interferometria este o tehnică utilizată în special în domeniul radioastronomiei . Se bazează pe principiul interferenței undelor electromagnetice și permite obținerea unor puteri de rezoluție ridicate prin combinarea coerentă a informațiilor provenite de la mai multe observatoare astronomice îndepărtate unele de altele. Distanța poate varia de la câțiva metri la mii de kilometri. Puterea de rezoluție rezultată este proporțională cu distanța dintre observatorii înșiși. Prin urmare, interferometria permite depășirea limitelor impuse de dificultățile tehnice ale realizării radiotelescoapelor cu deschidere mare. Pe de altă parte, aplicarea tehnicilor interferometrice implică o prelucrare matematică a datelor, numită reducere , care este mai grea și mai laborioasă decât cea necesară pentru datele brute obținute de la un singur observator.

Observațiile interferometrice, datorită puterii lor de rezolvare echivalente, sunt utilizate, în câmpul astronomic, pentru măsurarea distanțelor în sisteme stelare multiple binare sau înguste și pentru cercetarea și studiul planetelor extrasolare .

Interferometria este utilizată în astronomie atât cu telescoapele optice, cât și cu radiotelescoapele . Avantajul său este de a permite o rezoluție echivalentă cu cea a unei oglinzi (sau radiotelescop ) cu un diametru echivalent cu distanța dintre instrumentele combinate. Contrastul franjurilor permite mai târziu să se obțină informații despre dimensiunea obiectului observat sau despre separarea unghiulară dintre două obiecte observate (de exemplu, un sistem stea - planetă ). Această metodă a fost dezvoltată pentru prima dată de francezul Antoine Labeyrie în anii '70 .

Aranjamentul telescoapelor care formează VLA

Rezoluția unghiulară pe care o poate obține un telescop este determinată de limita sa de difracție (care este proporțională cu diametrul său). Cu cât telescopul este mai mare, cu atât rezoluția este mai bună, dar trebuie luat în considerare faptul că costul construirii unui telescop este proporțional cu dimensiunea acestuia. Scopul interferometriei astronomice este de a permite observații de înaltă rezoluție folosind un grup eficient de telescoape relativ mici, mai degrabă decât un singur telescop uriaș, foarte scump. Unitatea fundamentală a interferometriei astronomice este constituită de o pereche de telescoape . Fiecare pereche de telescoape este un interferometru de bază și poziția lor în spațiul u, v se numește linia de bază .

Prima interferometrie astronomică a fost realizată cu o singură linie de bază utilizată pentru a măsura suma puterii pe o anumită scară unghiulară mică. Interferometrele astronomice ulterioare au fost un aparat telescopic format dintr-un grup de telescoape în general identice dispuse pe sol într-un model. Un număr limitat de linii de bază va fi insuficient pentru a acoperi spațiul u, v. Acest lucru poate fi atenuat prin utilizarea rotației Pământului pentru a face aparatul să se rotească în raport cu cerul. Acest lucru face ca punctele din spațiul u, v spre care fiecare punct de referință să varieze cu trecerea timpului. În acest fel, o singură linie de bază poate evalua informația de-a lungul unei urme în spațiul u, v, luând în mod adecvat măsurători repetate. Această tehnică se numește sinteza rotației Pământului . Este, de asemenea, posibil să aveți o linie de bază de zeci, sute sau chiar mii de kilometri folosind o tehnică numită interferometrie cu o bază foarte largă (VLBI).

Cu cât lungimea de undă a radiației de intrare este mai mare, cu atât este mai ușoară măsurarea informațiilor de fază . Din acest motiv, inițial imagistica cu interferometrie (imagistică) a fost dată aproape exclusiv de radiotelescoapele cu o lungime de undă mare. Exemple de interferometre radio includ VLA și MERLIN . Pe măsură ce viteza corelatorilor a crescut și tehnologiile asociate s-au îmbunătățit, lungimea de undă a radiației minime observabile din interferometrie a scăzut. Există mai multe interferometre care manipulează lungimi de undă sub un milimetru, dintre care cel mai mare, Atacama Large Millimeter Array , a fost finalizat în 2013. Interferometrele astronomice optice au fost în mod tradițional instrumente specializate, dar dezvoltările recente și-au extins capacitățile.

Interferometrie în alte domenii

Interferometrele sunt utilizate în prezent pentru cercetări în numeroase domenii ale fizicii. De exemplu, interferometrele Michelson au făcut posibilă realizarea experimentului Michelson-Morley care a arătat că viteza luminii este izotropă și independentă de sistemul de referință și care ar putea invalida ipoteza eterului . Ele sunt, de asemenea, utilizate în unele încercări de detectare a undelor gravitaționale (cum ar fi proiectul VIRGO )

Măsurătorile efectuate cu interferometre depind adesea de lungimea de undă . Prin urmare, îl folosesc în spectroscopie pentru a determina spectrul de lumină al diferitelor surse de lumină.

Interferometria este, de asemenea, utilizată pentru a estima calitatea opticii. În multe aplicații de precizie, optica utilizată nu trebuie să aibă „defecte” (de exemplu: fără zgârieturi sau cocoașe, ...); grație cifrei de interferență obținute, defectele unei sticle pot fi detectate pentru a le corecta.

Interferometrele sunt utilizate pentru pregătirea științifică în domeniul opticii .

Interferometria este utilizată și în domeniul acusticii subacvatice: există de fapt unele Sonar cu interferometrie.

Interferometrie în teledetecție

Termenul de interferometrie, în teledetecție activă („iconografie” pornind de la un radar ), desemnează tehnica sau metodele care utilizează cel puțin două imagini complexe ale unui radar cu diafragmă sintetică (în engleză SAR, Synthetic Aperture Radar ), pentru a obține date suplimentare informații despre obiecte prezente într-o singură imagine SAR, exploatând informațiile conținute în faza semnalului de întoarcere. În special, diferența de fază a semnalului obținut pornind de la două măsurători diferite ale aceluiași pixel pe sol din două poziții diferite ale satelitului pe orbită poate fi corelată cu înălțimea altimetrică a pixelului studiat sau cu variațiile minime ale altitudinii sale (interferometrie diferențială) prin interpretarea interferogramei relative. Această tehnică găsește aplicații directe atât în topografie pentru urmărirea precisă a hărților geografice pe teritorii neexplorate încă (imagini DEM ), cât și în geofizică datorită capacității de a dezvălui deplasări chiar și de ordinul unui centimetru al scoarței terestre ( vulcanice) subsidență , bradizeisme , mișcări tectonice etc ...).

* O imagine radar brută constă dintr-o serie de numere complexe, care conțin informații despre amplitudine și fază.

Interferometre în lume

Interferometre radio

• Radioheliograful din Nançay ( Cher , Franța ), dedicat observării coroanei solare , cu unde radiometrice (CNRS, Observatorul Paris / Meudon și ENS)
• interferometrul Platoului Bure ( Alpi , Franța ), observând cu unde milimetrice, în principal în jur de 115 și 230 GHz ( IRAM )
• VLA din SUA, lângă Socorro (New Mexico)
• ATCA în Australia
• Allen Telescope Array (ATA), Parcul Național Vulcanic Lassen , Statele Unite
• VLBA , Statele Unite
• ALMA , Chile

Interferometre cu unde gravitaționale

• Interferometru VIRGO

Interferometre optice

Vezi articolul: Interferometru optic de bază lungă

Elemente conexe

• Interferometria atomică
• Interferență (fizică)
• Fisurile lui Young
• Interferometrul Michelson
• Interferometru Fabry-Pérot
• Observare milimetrica

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre interferometrie

linkuri externe

• ( FR ) un videoclip explicativ asupra fenomenului de interferență ^{[ link rupt ]} , pe fr.screen.yahoo.com .
• ( FR ) un videoclip explicativ pe principiul interferometrelor ^{[ link rupt ]} , pe fr.screen.yahoo.com .
• ( FR ) un videoclip explicativ despre interferometrele de divizare a frontului de undă ^{[ link rupt ]} , pe fr.screen.yahoo.com .

Portalul de astronomie

Portalul de fizică