אינטרפרומטריה

אינטרפרומטריה (באנגלית: Interferometry) היא משפחה של שיטות מדידה המאפשרות קבלת מידע מתבניות ההתאבכות של גלים, בדרך כלל גלים של השדה האלקטרומגנטי (או פונקציית הגל של חלקיקים). אף על פי שאינטרפרומטרים ניתן עקרונית לבנות לכל תדר של הספקטרום האלקטרומגנטי השימוש העיקרי בהם הוא בתחום האופטי שבו תבנית ההתאבכות מתקבלת על ידי פיצול ואיחוד מחדש של אלומת אור. תבנית ההתאבכות שתתקבל באמצעות האינטרפרומטר יכולה לתת מידע על הפרש הדרכים האופטיות בין שתי הקרניים ביחס לאורך הגל של האור. בידיעת אורך הגל של האור ניתן למדוד שינויים זעירים בדרך האופטית ולהפך. אינטרפרומטריה היא אחת הדרכים המדויקות ביותר למדידת שינויים במרחק. ציוד למדידה מדויקת של טיב פני שטח או חישת ויברציה משתמש באינטרפרומטריה.

אינטרפרומטר מייקלסון

אינטרפרומטר מייקלסון (לעיתים קרובות שמים זכוכית באותה זווית ועובי של המראה בדרכה של הקרן הירוקה כדי למנוע צורך להתחשב בהפרש הדרכים בעקבות מעבר הקרן הכחולה במראה).

אחד האינטרפרומטרים המפורסמים ביותר הוא אינטרפרומטר מייקלסון (Michelson) שהומצא על ידי אלברט אברהם מייקלסון המבוסס על פיצול הקרן באמצעות מראה חצי חדירה והחזרת הקרניים באמצעות מראות הניתנות להזזה (בדרך כלל על ידי מערכת גלגלי שיניים או ברגים מיקרומטריים, בשל השינויים הקטנים והעדינים הנדרשים).

באינטרפרומטר זה נעשה שימוש בניסוי מייקלסון-מורלי על מנת למדוד את השינוי במהירות האור כאשר כדור הארץ נע בכיוונים שונים ביחס לאתר. שום שינוי כזה לא נמדד. על מנת להסביר את תוצאות הניסוי הציע לורנץ את משוואות לורנץ המתארות התכווצות גופים הנעים באתר בהתאם למהירותם. בשנת 1905 בתורת היחסות הפרטית הציע אלברט איינשטיין הסבר אחר לתוצאות אלו, אשר אליהם הגיע משיקולים תאורטיים עצמאיים: מהירות האור קבועה לכל הצופים, מה שמייתר את הצורך באתר שבו האור יתקדם.

אינטרפרומטר פברי-פרו

דוגמה למהלך הקרניים באינטרפרומטר פברי-פרו

אינטרפרומטר פברי-פרו (Fabry-Perot) (נקרא גם "אטלון") מורכב משתי מראות חצי מחזירות. עקרון הפעולה שלו פשוט ביותר: קרן נשלחת בזווית אל המראה הראשונה, חלקה עובר וחלקה מוחזר. החלק העובר מגיע אל המראה השנייה, חלקו עובר וחלקו מוחזר. החלק המוחזר מגיע אל המראה הראשונה, חוזר ממנה אל המראה השנייה וחוזר חלילה.

בעקבות כך יוצאות קרניים מקבילות משני צידי המראה החצי-מחזירה, שאותן אפשר לרכז באמצעות עדשה ולקבל תבנית התאבכות. למשל, בתמונה משמאל אנו רואים את חלק הקרן העובר דרך שתי המראות ולא מוחזר כלל (ציור 1), ואת חלק הקרן היוצא לאחר שהוחזר פעמיים (ציור 2).

עוצמת הקרן היוצאת נתונה על ידי $\ R^{n}T^{2}I_{0}$, כאשר $\ R$ הוא מקדם ההחזרה של המראה, $\ T$ הוא מקדם ההעברה שלה, $\ I_{0}$ היא עוצמת הקרן הנכנסת ו- $\ n$ הוא מספר ההחזרות בתוך האטלון.

בדרך כלל משתמשים בקרניים בכיוון שממנו הגיעה הקרן, מכיוון ששם העדינות (Finesse) גבוהה יותר. באינטרפרומטרים אלה משתמשים בבניית מסננים אופטיים צרי סרט, על ידי תכנון שכבות דקות כך שרק אורכי גל שעוברים התאבכות בונה עוברים דרכן, ואחרים מוחזרים.

אינטרפרומטר מאך-זנדר

אינטרפרומטר מאך זנדר

אינטרפרומטר מאך-זנדר (Mach-Zehnder) מבוסס על פיצול הקרן לשתי קרניים שעוברות דרך גאומטרית זהה (אך דרך אופטית שונה, עקב מעברה של אחת משתי הקרניים בתווך שונה, הוא התווך הנבדק), ונועד לבדיקת תכונות של חומרים. על ידי הצבת חומר כלשהו בדרכה של אחת הקרניים ניתן לדעת משינוי פאזת הקרן את טיב החומר וצפיפותו. לחלופין, כשניתן לשנות את מקדם השבירה של החומר (ולכן את הדרך האופטית) ניתן לשלוט בעוצמת האות המתאבך. בתכונה זו משתמשים בבניית מאפנני עוצמה בתקשורת אופטית בקצב גבוה. אחד השימושים העיקריים של אינטרפרומטר מאך-זנדר הוא לשם מדידת ההשפעות עקב שינויים בלחץ, שינויים בצפיפות, או שינויים בטמפרטורה של גזים. הדבר נבדק על ידי הצבת תאי-מחקר המכילים גז מסוים בדרכה של אחת הקרניים, ומדידת השינויים בתבנית ההתאבכות המתקבלת, עקב שינויי לחץ וטמפרטורה בתא.

מאפיין המייחד את אינטרפרומטר מאך-זנדר הוא העובדה שהקרניים לא עוברות יותר מפעם אחת במסלול, להבדיל מאינטרפרומטר מייקלסון שבו כל קרן מוחזרת ממראה דרך אותו מסלול שבו כבר עברה.

אינטרפרומטר הנבורי-בראון

אינטרפרומטר הנבורי-בראון הוא אינטרפרומטר עוצמה (בשונה מאינטרפרומטרי הפאזה). זוהי טכניקה המיועדת למדידת הגודל הזוויתי של כוכבים. על ידי איסוף האור משתי מראות גדולות, בחירת תחום אורכי גל מתאימים, גילוי ישיר של העוצמה המתקבלת וביצוע קורלציה אלקטרונית בין שני האותות, ניתן לקבל תבנית התאבכות שאינה רגישה לפאזה של מקור האור, אך היא פחות רגישה לאי-דיוקים במדידת המרחק בין שני תתי-הרכיבים. המכשיר הומצא על ידי רוברט הנבורי בראון (Robert Hanbury Brown) בשנת 1949, הקמתו הושלמה ב-1964 ובמשך 9 שנים התבצעו בו מדידות גודל זוויתי של 32 כוכבים. לאחר שידוע במדויק הגודל הזוויתי של הכוכב הנמדד, ניתן לחשב את הגודל שלו לאחר שמודדים את המרחק אליו בשיטת ההיסט (פרלקסה).

יישומים

פיזיקה ואסטרונומיה

• אינטרפרומטר אופטי אסטרונומי
• אינטרפרומטר רדיו אסטרונומי

הנדסה ומדע יישומי

• אינטרפרומטריה סייסמית
• אינטרפרומטריה הולוגרפית

ביולוגיה ורפואה

• טומוגרפיה אופטית קוהרנטית
• אינטרפרומטריה של קוהרנטיות נמוכה עם פתרון בזווית

קישורים חיצוניים

• אינטרפרומטריה, דף שער בספרייה הלאומית