Interferômetro

Interferômetro – Definição

Os interferômetros são aparelhos que utilizam a interferência de ondas (como de luz) para determinações precisas (como de distância ou comprimento de onda).

O que é um interferômetro?

Os interferômetros são ferramentas investigativas usadas em muitos campos da ciência e da engenharia.

Eles são chamados de interferômetros porque funcionam mesclando duas ou mais fontes de luz para criar um padrão de interferência, que pode ser medido e analisado; portanto, ‘Interfere-o-meter’ ou interferômetro.

Os padrões de interferência gerados por interferômetros contêm informações sobre o objeto ou fenômeno que está sendo estudado. Eles são freqüentemente usados para fazer medições muito pequenas que não são alcançáveis de outra maneira.

É por isso que eles são tão poderosos para detectar ondas gravitacionais – os interferômetros do LIGO são projetados para medir uma distância de 1/10.000 da largura de um próton!

Muito usados hoje, os interferômetros foram inventados no final do século 19 por Albert Michelson.

O interferômetro de Michelson foi usado em 1887 no “Experimento Michelson-Morley”, que teve como objetivo provar ou contestar a existência do “Éter Luminífero” – uma substância na época que se pensava permear o Universo.

Todos os interferômetros modernos evoluíram a partir deste primeiro, uma vez que demonstrou como as propriedades da luz podem ser usadas para fazer as menores medições.

A invenção dos lasers permitiu que os interferômetros fizessem as menores medições concebíveis, como as exigidas pelo LIGO.

Notavelmente, a estrutura básica dos interferômetros do LIGO difere pouco do interferômetro que Michelson projetou há mais de 125 anos, mas com alguns recursos adicionais, descritos no interferômetro do LIGO.

Qual é a aparência de um interferômetro?

Interferômetro de Michelson

Devido à sua ampla aplicação, os interferômetros vêm em uma variedade de formas e tamanhos.

Eles são usados para medir tudo, desde as menores variações na superfície de um organismo microscópico, à estrutura de enormes extensões de gás e poeira no Universo distante, e agora, para detectar ondas gravitacionais.

Apesar de seus designs diferentes e das várias maneiras em que são usados, todos os interferômetros têm uma coisa em comum: eles sobrepõem feixes de luz para gerar um padrão de interferência.

A configuração básica de um interferômetro a laser Michelson é mostrada à direita.

Ele consiste em um laser, um divisor de feixe, uma série de espelhos e um fotodetector (o ponto preto) que registra o padrão de interferência.

O que é um padrão de interferência?

Para entender melhor como funcionam os interferômetros, é útil entender mais sobre ‘interferência’.

Qualquer pessoa que jogou pedras em um lago ou piscina plana e vítrea e observou o que aconteceu sabe sobre interferência. Quando as pedras atingem a água, elas geram ondas concêntricas que se afastam da fonte.

E onde duas ou mais dessas ondas concêntricas se cruzam, elas interferem umas nas outras. Essa interferência pode resultar em uma onda maior, uma onda menor ou nenhuma onda.

O padrão visível que ocorre onde as ondas se cruzam é simplesmente um padrão de “interferência”.

Os princípios de interferência são simples de entender. Duas ou mais ondas interagem. Você adiciona as alturas das ondas separadas conforme elas interagem, e a onda resultante é o padrão de ‘interferência’.

Existem dois tipos específicos de interferência: interferência construtiva total e interferência destrutiva total.

A interferência construtiva total ocorre quando os picos e vales de duas (ou mais) ondas se encontram perfeitamente. Quando somadas, você ‘constrói’ uma onda maior, cujo tamanho é igual à soma das alturas (e profundidades!) Das duas ondas em cada ponto onde estão interagindo fisicamente.

A interferência destrutiva total ocorre quando os picos de uma ou mais ondas se encontram e correspondem aos vales de uma onda idêntica. Somando esses resultados, eles se cancelam mutuamente (ou seja, eles se ‘destroem’).

Na natureza, os picos e depressões de uma onda nem sempre se encontram perfeitamente com os picos ou depressões de outra onda, como mostra a ilustração.

Convenientemente, independentemente de quão sincronizadas elas estão quando se fundem, a altura da onda resultante da interferência sempre é igual à soma das alturas das ondas fundidas ao longo de cada ponto onde estão interagindo fisicamente.

Portanto, quando as ondas se encontram um pouco fora de sincronia, pode ocorrer interferência parcial construtiva ou destrutiva. A animação abaixo ilustra esse efeito.

A onda preta mostra o resultado da soma dos picos e depressões das ondas vermelhas e azuis à medida que se movem (interferem) uma na outra.

Somando as alturas/profundidades de cada onda em cada ponto conforme elas se movem, resulta na onda preta.

Observe que ele experimenta uma gama completa de alturas de duas vezes mais alta/profunda (interferência construtiva total) a plana (interferência destrutiva total). Neste exemplo, a onda preta é o padrão de interferência (o padrão que resulta da interferência contínua das ondas vermelha e azul). Observe como ele continua a mudar enquanto as ondas vermelhas e azuis continuam a interagir.

Interferômetro – Interferometria

Aplicada por muito tempo em testes de oficina ótica, a interferometria agora é usada para medir muitos tipos diferentes de peças em uma variedade de aplicações, como desempenho de sistema ótico, rugosidade de superfície, forma de superfície e deslocamento de superfícies móveis.

Um interferômetro é um instrumento que compara a posição ou a estrutura da superfície de dois objetos. A divisão básica de dois feixes dos componentes do interferômetro de amplitude consiste em uma fonte de luz, um divisor de feixe, uma superfície de referência e uma superfície de teste (Figura abaixo).

O divisor de feixe cria os feixes de referência e de teste a partir de uma única fonte de luz.

Quando os dois feixes se recombinam, a intensidade observada varia dependendo da amplitude e da fase desses feixes.

Assumindo que os dois feixes são iguais em intensidade e estão perfeitamente em fase no ponto em que são recombinados, a intensidade resultante é quatro vezes maior que cada feixe individualmente. Isso é conhecido como interferência construtiva. A interferência destrutiva ocorre quando os dois feixes estão exatamente fora de fase quando são recombinados. Os feixes se cancelam e a intensidade resultante é zero.

Componentes comuns a todos os interferômetros

Se os dois feixes são estendidos espacialmente, podemos observar as variações sobre uma área de superfície na fase relativa das frentes de onda que compreendem os dois feixes.

Regiões alternadas de interferência construtiva e destrutiva produzem bandas claras e escuras comumente chamadas de franjas de interferência (Figura abaixo).

As diferenças de fase entre as duas frentes de onda resultam quando os feixes viajam por diferentes comprimentos de caminho óptico, resultando em parte das diferenças na forma e na textura das superfícies de teste e referência. Ao analisar os padrões de interferência, é possível determinar as diferenças de comprimento do caminho em qualquer ponto do campo de visão do instrumento.

As diferenças no comprimento do caminho são causadas por diferenças na forma e inclinação entre as superfícies de teste e referência do interferômetro. Normalmente, a superfície de referência é escolhida de forma que seja significativamente melhor do que a superfície em teste. Portanto, o padrão de franja indica quaisquer imperfeições na amostra em teste.

Com a prática e o conhecimento da configuração do interferômetro, os padrões de franjas podem ser reconhecidos com facilidade.

Os interferômetros computadorizados modernos realizam essa análise automaticamente, resultando em uma exibição da topografia da superfície.

Franjas claras e escuras indicam regiões de interferência construtiva e destrutiva

Vantagens da interferometria

A interferometria tem várias vantagens sobre outras técnicas de medição de superfície. Ele tem uma sensibilidade muito alta à topografia de superfície, normalmente medida em nanômetros.

Também não requer contato mecânico com a superfície em teste. Portanto, não há risco de dano ou deformação da superfície, como às vezes pode resultar do uso de placas de teste ou métodos de sonda de contato.

Além disso, os interferômetros podem cobrir grandes áreas com alta resolução lateral, reunindo centenas de milhares de pontos de dados por medição. A resolução lateral é limitada apenas pela difração óptica e pelo número de pixels na câmera

Fonte: www.ligo.caltech.edu/www.rp-photonics.com/www.photonics.com/www.holmarc.com/www.mro.nmt.edu/phys.libretexts.org