공통 경로 간섭계

Common-path interferometer

공통 경로 간섭계는 기준 빔과 샘플 빔이 동일한 경로를 따라 이동하는 간섭계의 한 종류다.예로는 Sagnac 간섭계, Zernike 위상 대비 간섭계, 점 회절 간섭계가 있다.공통 경로 간섭계는 일반적으로 Michelson 간섭계 또는 Mach-Zehnder 간섭계와 같은 "이중 경로 간섭계"보다 환경 진동에 더 강하다.[1]동일한 경로를 따라 이동하더라도 참조 빔과 표본 빔은 반대 방향으로 이동하거나 같은 방향이지만 동일하거나 다른 양극화를 가지고 이동할 수 있다.

이중 경로 간섭계는 기준 암과 샘플 암 사이의 위상 이동 또는 길이 변화에 매우 민감하다.그 때문에, 이중 경로 간섭계는 작은 변위,[2] 굴절 지수 변화,[3] 표면 불규칙성 등을 측정하기 위해 과학과 산업에서 널리 이용되고 있다.그러나 기준 경로와 표본 경로 사이의 상대적 변위 또는 굴절 지수 차이에 대한 민감도가 바람직하지 않은 응용 프로그램이 있다. 또는 다른 하나는 일부 다른 속성의 측정에 관심이 있을 수 있다.

선택한 예제

그림 1.공통 경로 간섭계의 선택된 예

사그낙

주요기사: Sagnac 간섭계

새그낙 간섭계는 길이 또는 길이 변화를 측정하는 데 전혀 적합하지 않다.Sagnac 간섭계에서는 빔플리터에서 나오는 두 빔이 동시에 직사각형의 네 면을 반대 방향으로 돌면서 원래의 빔플리터에서 재결합한다.그 결과 Sagnac 인터페로미터는 첫 번째 순서에 따라 광학 부품의 움직임에 완전히 무감각하게 된다.실제로 Sagnac 간섭계를 위상 변화 측정에 유용하게 만들기 위해서는 간섭계의 빔이 더 이상 완벽하게 공통적인 경로를 따르지 않도록 약간 분리해야 한다.약간의 빔 분리가 있더라도 Sagnac 인터페로미터는 뛰어난 대비와 가장자리 안정성을 제공한다.[4]Sagnac 간섭계의 두 가지 기본 토폴로지는 각 경로에 반사의 짝수 또는 홀수 수가 있는지 여부에 따라 다르다.그림처럼 홀수 반사가 있는 Sagnac 간섭계에서는 반대방향으로 이동하는 빔의 파동선이 대부분의 광경로에 걸쳐 서로에 대해 횡방향으로 반전되므로 위상은 엄격히 공통 경로로 되어 있지 않다.[5]

Sagnac 간섭계의 가장 잘 알려진 용도는 회전 민감도에 있다.회전이 이러한 형태의 간섭계에 미치는 영향에 대한 첫 번째 설명은 1913년 조르주 사그낙에 의해 발표되었는데, 조르주 사그낙은 "에테르를 휘몰아치는" 그의 능력이 상대성 이론을 반증한다고 잘못 믿었다.[6]오늘날의 Sagnac 간섭계의 민감도는 Sagnac의 원래 배열의 민감도를 훨씬 능가한다.회전에 대한 민감도는 역회전빔에 의해 제한되는 면적에 비례하며, 현재 삭간 간섭계의 후손인 광섬유 자이로스코프는 작은 단위에서 중간 크기의 단위라도 지구의 회전을 쉽게 감지할 수 있도록 거울이 아닌 수천 개의 광섬유를 사용한다.[7]링 레이저 자이로스코프(그림에 나와 있지 않음)는 관성 유도 시스템에서 중요한 용도를 갖는 Sagnac 회전 센서의 또 다른 형태다.[6]

그들의 뛰어난 대비와 가장자리 안정성 때문에, Sagnac 구성을 사용한 간섭계는 아인슈타인의 특수 상대성 발견으로 이어지는 실험과 이론적, 실험적 난제에 대한 후속 상대성 방어에 중요한 역할을 했다.예를 들어, 1887년의 유명한 실험이 있기 1년 전에 미셸슨과 몰리(1886)는 1851년의 피조 실험을 반복하여 피조의 설정을 그러한 높은 안정성의 고른 반사의 사그낙 간섭계로 대체했는데, 빛 경로에 점등 성냥을 놓아도 공예적인 앞면 변위를 일으키지 않았다.[8]구스타프 빌헬름 함마르는 1935년에 미켈슨-몰리형 실험의 무효한 결과를 단지 에테르 드레이깅의 공예에 불과하다고 설명하려 했던 특수 상대성계에 대한 이론적 도전을 반증했다.그는 이 간섭계를 온도 조절이 없는 높은 언덕 꼭대기에서 개방된 곳에서 작동시킬 수 있었지만 여전히 1/10 프린지 정확도의 판독을 달성할 수 있었다.[9][10]

점 회절

주요기사 : 점회절 간섭계
그림 2.젊은이의 실험 – 단일 슬릿 패턴과 이중 슬릿 패턴

렌즈 시험과 유체 흐름 진단에 유용한 또 다른 공통 경로 간섭계는 1933년 린닉이 발명한 포인트 회절 간섭계(PDI)이다.[11][12]기준 빔은 반투명 플레이트에서 에어리 디스크 직경의 약 절반인 작은 핀홀로부터 회절되어 생성된다.그림 1은 핀홀에 초점을 맞춘 이상 파동 전선을 보여준다.확산된 기준 빔과 전송된 시험 파형이 프링들을 형성하는 것을 방해한다.PDI의 공통 경로 설계는 여러 가지 중요한 이점을 가져다 준다.(1) 마하-젠더 또는 미셸슨 설계에서 요구하는 두 가지 경로 대신 하나의 레이저 경로만 필요하다.이 이점 매우는 것과 같은 격동의 미디어로 광학 갈래 길이 있바람을 일으킬 터널에 큰 간섭 설정에서. 중요할 수 있(2)그 common-path 디자인, 배열에서뿐만 아니라, 큰 설정을 위해 특별히 비용, 크기와 무게를 줄이면 쉽게 만들고 이중 경로 설계보다 적은 광학 구성 부품을 사용한다.[13](3)은 교류이다.이중 경로 설계의 큐러시는 기준 요소가 파악되는 정밀도에 따라 달라지며, 신중한 설계를 통해 PDI의 생성된 기준 빔의 정밀도를 보장할 수 있다.[14]단점은 핀홀을 통과하는 빛의 양이 빛이 핀홀에 얼마나 잘 집중될 수 있느냐에 달려 있다는 점이다.만약 사고 전선이 심하게 어긋나면, 거의 빛이 들어오지 않을 것이다.[15]PDI는 다양한 적응형 광학 애플리케이션에서 사용되어 왔다.[16][17]

측면 피복

주요 기사:셰어링 간섭계

측면 피복 간섭계는 파동전면 감지 자체 참조 방법이다.별도의 경로 기준 파형 전선과 파형을 비교하는 대신, 측면 피복 간섭계는 이동된 형태의 파선으로 파형을 방해한다.그 결과, 파전선의 경사면에 민감하게 반응하는 것이지, 파전선의 모양은 se 당 민감하게 반응하는 것이 아니다.그림으로 표시된 평면 평행 판 간섭계는 시험 및 기준 빔의 경로 길이가 동일하지 않기 때문에 단색(레이저) 조명을 사용하여야 한다.어느 한 표면에도 코팅이 되지 않고 주로 사용하므로 유령 반사를 최소화한다.시험 중인 렌즈에서 벗어난 파동은 플레이트의 전면과 후면으로부터 반사되어 간섭 패턴을 형성한다.이 기본 설계의 변화는 거울을 시험할 수 있다.자민, 미켈슨, 마하-젠더 및 기타 간섭계 설계에 기초한 다른 형태의 측면 피복 간섭계는 보정 경로를 가지며 백색 빛과 함께 사용할 수 있다.[18]광학 시험 외에도 수평 피복 간섭계 적용에는 박막 분석, 투명 재료에서의 질량 및 열 확산, 굴절률 및 굴절률 측정의 구배, 시준 시험, 적응 광학 등이 포함되었다.[19][20]측면 피복, 하트만, 섀크-하트만, 회전 피복, 접이식 피복 및 개구부 마스킹 간섭계를 포함하는 일반적인 프레임워크인 피복 간섭계는 산업적으로 개발된 대부분의 파동 전면 센서에 사용된다.[21]

프레스넬의 쌍두마비

그림 3.전자 홀로그래피 시스템에 사용되는 바이프리즘

현대적인 관점에서 영의 이중 슬릿 실험 결과(그림 2 참조)는 분명히 빛의 파동성을 가리키지만 1800년대 초반에는 그렇지 않았다.결국 뉴턴은 지금 회절 현상으로 인식되고 있는 것을 관찰하고, 그것을 그의 제3권 광학(光學)에 기록하여,[22] 그의 경구적 빛 이론의 관점에서 해석하였다.영의 동시대인들은 그의 결과가 단순히 슬릿의 가장자리로부터 회절 효과를 나타낼 수 있을 뿐, 뉴턴이 이전에 관찰했던 프링과 원칙적으로 다를 바 없다고 이의를 제기했다.파동 이론을 지지했던 아우구스틴 프레스넬은 에지 회절의 결과라고 간단히 설명할 수 없는 간섭 효과를 증명하기 위해 일련의 실험을 했다.이것들 중 가장 주목할 만한 것은 굴절을 통해 두 개의 가상 간섭원을 만들기 위해 두 개의 바이프리즘을 사용했다는 것이다.

프레스넬 바이프리즘의 전자 버전은 물체의 전자 간섭 패턴을 사진적으로 기록하는 이미지 기술인 전자 홀로그래피에 사용된다.현재 선호하는 것은 홀로그램의 수치 재구성을 위한 것이지만, 홀로그램은 레이저에 의해 조명을 받아 원래의 물체의 이미지가 크게 확대될 수 있다.[23]이 기술은 전자 현미경 검사에서 기존의 영상 검사 기법을 사용하여 가능한 것보다 더 큰 분해능을 가능하게 하기 위해 개발되었다.기존 전자현미경 검사의 분해능은 전자파장에 의해 제한되는 것이 아니라 전자렌즈의 큰 이상에 의해 제한된다.[24]

그림 3은 간섭 전자 현미경의 기본 배열을 보여준다.전자 biprism은 접지 전위에서 두 개의 플레이트 전극에 의해 분류된, 양전하 전기 필라멘트(그림에서 점으로 표현됨)로 구성된다.일반적으로 직경이 1μm 이하인 필라멘트는 대개 금으로 코팅된 석영섬유다.시료를 전자빔에 오프 축으로 위치시킴으로써, 확산된 시료 파동과 기준 파동 전선이 결합하여 홀로그램을 생성한다.

제로 영역 사그낙

레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 4km 미켈슨-파브리-페로트 간섭계 2개로 구성됐으며 빔 스플리터에서 약 100와트의 레이저 출력 수준으로 작동했다.현재 Advanced LIGO로 업그레이드하려면 몇 킬로와트의 레이저 전력이 필요하며, 과학자들은 열 왜곡, 레이저의 주파수 변동, 거울 변위 및 열 유도 바이레링과 싸워야 한다.

고급 LIGO를 넘어 제3세대 고도화를 위해 다양한 경쟁 광학시스템이 발굴되고 있다.이러한 경쟁 토폴로지 중 하나는 제로 영역 Sagnac 설계였습니다.위에서 언급한 바와 같이, Sagnac 인터페로미터는 우선 순서에 따라 광학 구성요소의 정적 또는 저주파 변위에 무감각하며 레이저나 이륜성의 작은 주파수 변동에 영향을 받지 않는다.3세대 LIGO를 위해 Sagnac 인터페로미터의 영역영역 변형이 제안되었다.그림 1은 두 개의 반대 감각의 루프를 통해 빛을 지시함으로써 0의 유효 영역을 얻는 방법을 보여준다.따라서 Sagnac 인터페로미터의 이 변형은 천문학적 관심의 과도현상에 높은 민감도를 유지하면서 광학 구성요소의 회전이나 저주파수 드리프트에 무감각하다.[25]그러나 광학계 선택에는 많은 고려사항이 개입되어 있으며, 특정 영역에서 제로 영역 Sagnac의 우위에도 불구하고, 3세대 LIGO를 위한 광학계 선택에는 아직 합의된 선택이 없다.[26][27]

산점판

Twyman-Green 간섭계 대신 일반적으로 사용되는 경로는 J.M.에 의해 발명된 산점 간섭계이다.[28]1953년 [29]버치이중 경로 간섭계인 Twyman-Green 간섭계는 광학 표면과 렌즈의 정밀도를 시험하는 데 일반적으로 사용되는 Michelson 간섭계의 변형이다.[30][31]기준 경로와 샘플 경로가 서로 다르기 때문에 이 형태의 간섭계는 광 경로의 진동과 대기 난류에 매우 민감하며, 두 가지 모두 광학적 측정을 방해한다.광학 표면의 정밀 측정도 보조 광학 품질에 크게 의존한다.

산점형 간섭계는 공통 경로 간섭계이기 때문에 참조와 시험 경로가 자동으로 일치해 흰 빛으로도 0순서의 프린지를 쉽게 얻을 수 있다.진동과 난류에 비교적 둔감하며, 보조 광학기의 품질은 Twyman-Green 설정처럼 중요하지 않다.[28]그러나 프린지 대비는 더 낮으며, 특징적인 핫스팟은 산점형 간섭계를 다양한 목적에 적합하지 않게 만들 수 있다.광학 시험에 유용한 기타 다양한 공통 경로 간섭계에 대해 설명하였다.[15][32]

그림 1은 구면 거울을 시험하기 위해 설정된 간섭계를 나타낸다.산점판은 시험 대상 거울의 곡률 중심 근처에 설치된다.이 판은 아주 작은 불투명 패치의 무늬를 가지고 있는데, 이 패치는 뒤집어진 대칭으로 판에 배열되어 있지만, 그 외에는 모양과 분포가 랜덤하다. (1) 빛의 일정 부분은 산광판을 직접 통과하여 거울에 비쳐지지만, 두 번째로 산광판을 마주칠 때 흩어진다.이 직사광선은 기준 빔을 형성한다. (2) 빛의 일정 부분은 산점판을 통과할 때 흩어져 있고, 거울에 반사되지만, 두 번째로 산점판을 마주칠 때 산점판을 직접 통과한다.이 산란 직사광선은 시험 빔을 형성하며, 이것은 기준 빔과 결합하여 간섭을 형성한다. (3) 빛의 특정 부분은 두 번의 만남에서 산란을 직접 통과한다.이 직사광선은 작고 바람직하지 않은 핫스팟을 발생시킨다.(4) 빛의 일정 부분은 산광판과 마주치는 양쪽 모두에 흩어져 있다.이 산란된 빛은 간섭 패턴의 전체적인 대비를 낮춘다.[33]

그림 4.배스 인터페로

배스 인터페로

주요기사 : 욕조 간섭계(공통경로)

배스 인터페로미터(그림 4)는 망원경 미러를 테스트하는 데 사용할 수 있다.보통 빔 스플리터, 광학 플랫, 초점 길이가 짧은 비콘벡스 다이버저, 반도체 레이저와 같은 광원으로 구성된다.[34]

기타 구성

이중 초점 간섭계와 선더스 프리즘 간섭계와 같은 다른 공통 경로 간섭계 구성은 문헌에 설명되어 있다.[15]공통 경로 간섭계는 광학 정합성 단층 촬영,[1] 디지털 홀로그래피,[35] 위상 지연 측정 등 매우 다양한 용도에서 유용하다는 것이 입증되었다.[36]환경 진동에 대한 상대적 복원력은 뛰어난 공통적인 특징이며, 기준 빔을 사용할 수 없을 때 사용할 수 있다. 그러나 위상에 따라 이중 경로 간섭계에 의해 생성된 것보다 간섭 패턴을 해석하기가 더 복잡할 수 있다.

참고 항목

참조

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