stringtranslate.com

N-щелевой интерферометр

N - щелевой интерферометр является расширением двухщелевого интерферометра, также известного как двухщелевой интерферометр Юнга. Одно из первых известных применений N -щелевых решеток в оптике было проиллюстрировано Ньютоном . [1] В первой половине двадцатого века Майкельсон [2] описал различные случаи N -щелевой дифракции .

Фейнман [3] описал мысленные эксперименты по исследованию двухщелевой квантовой интерференции электронов, используя обозначения Дирака . [4] Этот подход был распространен на N -щелевые интерферометры Дуарте и коллегами в 1989 году [5] с использованием узкой ширины линии лазерного освещения, то есть освещения неразличимыми фотонами. Первым применением N -щелевого интерферометра было создание и измерение сложных интерференционных картин. [5] [6] Эти интерферограммы точно воспроизводятся или предсказываются N -щелевым интерферометрическим уравнением как для четного ( N = 2, 4, 6,...), так и для нечетного ( N = 3, 5, 7,...) числа щелей. [6]

Н-щелевой лазерный интерферометр

Схематическое изображение N-щелевого интерферометра сверху: TBE — телескопический расширитель пучка, MPBE — многопризменный расширитель пучка. N-щелевая решетка находится в точке j (щели перпендикулярны расширению пучка), а интерферометрическая плоскость находится в точке x , где расположен цифровой детектор. [6] [7] [8] [9] Сообщается, что внутриинтерферометрическое расстояние D может достигать 527 м. Примечание : N -щелевые интерферометры включают трехщелевые интерферометры (или трехщелевые интерферометры), четырехщелевые интерферометры и т. д. [7] [8]

N - щелевой лазерный интерферометр, представленный Дуарте , [5] [6] [10] использует призматическое расширение пучка для освещения решетки пропускания или матрицы N -щелей и фотоэлектрической матрицы детектора (такой как ПЗС или КМОП ) в плоскости интерференции для регистрации интерферометрического сигнала. [6] [10] [11] Расширенный лазерный луч, освещающий матрицу N -щелей, является одномодовым поперечным и узколинейным. Этот луч также может принимать форму, посредством введения выпуклой линзы перед призматическим расширителем, пучка, чрезвычайно вытянутого в плоскости распространения и чрезвычайно тонкого в ортогональной плоскости. [6] [10] Такое использование одномерного (или линейного) освещения устраняет необходимость сканирования по точкам в микроскопии и микроденситометрии . [6] [10] Таким образом, эти приборы можно использовать как прямые N -щелевые интерферометры или как интерферометрические микроскопы .

Раскрытие этой интерферометрической конфигурации положило начало использованию цифровых детекторов в N -щелевой интерферометрии. [5] [11]

Приложения

Безопасная оптическая связь

Интерферограмма для N = 3 щелей с дифракционной картиной, наложенной на правое внешнее крыло. Эта конкретная интерферограмма соответствует интерферометрическому символу "b". [9]
Дифракционная картина на интерферограмме, показанной выше, соответствующая N = 3 щелям, была получена с использованием одного волокна паутины диаметром около 25 мкм. [9]

Эти интерферометры, изначально введенные для приложений в визуализации, [6] также полезны в оптической метрологии и были предложены для безопасной оптической связи в свободном пространстве , [7] [12] между космическими аппаратами. Это связано с тем, что распространяющиеся N -щелевые интерферограммы терпят катастрофический коллапс от попыток перехвата с использованием макроскопических оптических методов, таких как расщепление пучка. [7] Недавние экспериментальные разработки включают наземные интра-интерферометрические пути длиной 35 метров [8] и 527 метров. [9]

Эти большие и очень большие N -щелевые интерферометры используются для изучения различных эффектов распространения, включая микроскопические возмущения в распространяющихся интерферометрических сигналах. Эта работа дала первое наблюдение дифракционных картин, наложенных на распространяющиеся интерферограммы. [9]

Эти дифракционные картины (как показано на первой фотографии) генерируются путем вставки волокна паутины (или нити паучьего шелка ) в путь распространения интерферограммы. Положение волокна паутины перпендикулярно плоскости распространения. [9]

Турбулентность ясного неба

N -щелевые интерферометры, использующие большие внутриинтерферометрические расстояния, являются детекторами турбулентности ясного неба . [8] [9] Искажения, вызванные турбулентностью ясного неба в интерферометрическом сигнале, отличаются как по характеру, так и по величине от катастрофического коллапса, возникающего в результате попытки перехвата оптических сигналов с использованием макроскопических оптических элементов. [13]

Интерферометрическая микроскопия с расширенным пучком

Первоначальное применение N -щелевого лазерного интерферометра было интерферометрическое изображение . [6] [10] [14] В частности, одномерно расширенный лазерный луч (с поперечным сечением 25-50 мм шириной и 10-25 мкм высотой) использовался для освещения поверхностей изображения (таких как пленки галогенида серебра ) для измерения микроскопической плотности освещенной поверхности. Отсюда и термин интерферометрический микроденситометр . [10] Разрешение вплоть до нанорежима может быть обеспечено с помощью использования интеринтерферометрических расчетов . [6] При использовании в качестве микроденситометра N -щелевой интерферометр также известен как лазерный микроденситометр. [14]

Многопризменный расширенный лазерный луч также описывается как чрезвычайно удлиненный лазерный луч . Удлиненное измерение луча (25-50 мм) находится в плоскости распространения, в то время как очень тонкое измерение (в режиме мкм) луча находится в ортогональной плоскости. Это было продемонстрировано для приложений визуализации и микроскопии в 1993 году. [6] [10] Альтернативные описания этого типа чрезвычайно удлиненного освещения включают термины линейное освещение, линейное освещение, освещение тонким световым листом (в микроскопии светового листа) и плоскостное освещение (в микроскопии селективного плоскостного освещения).

Другие приложения

N -щелевые интерферометры представляют интерес для исследователей, работающих в области атомной оптики, [15] Фурье-визуализации, [16] оптических вычислений, [17] и квантовых вычислений. [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ И. Ньютон, Оптика (Королевское общество, Лондон, 1704).
  2. ↑ А. А. Майкельсон, Исследования по оптике (Чикагский университет, Чикаго, 1927).
  3. ^ Р. П. Фейнман, Р. Б. Лейтон и М. Сэндс, Фейнмановские лекции по физике , т. III (Эддисон Уэсли, Рединг, 1965).
  4. ^ П. А. М. Дирак , Принципы квантовой механики , 4-е изд. (Оксфорд, Лондон, 1978).
  5. ^ abcd FJ Duarte и DJ Paine, Квантово-механическое описание явлений интерференции N -щелей, в Трудах Международной конференции по лазерам '88 , RC Sze и FJ Duarte (ред.) (STS, McLean, Va, 1989) стр. 42–47.
  6. ^ abcdefghijk Duarte, FJ (1993). «Об обобщенном уравнении интерференции и интерферометрических измерениях». Optics Communications . 103 (1–2). Elsevier BV: 8–14. Bibcode : 1993OptCo.103....8D. doi : 10.1016/0030-4018(93)90634-h. ISSN  0030-4018.
  7. ^ abcd Duarte, FJ (2004-12-11). «Безопасная интерферометрическая связь в свободном пространстве: повышенная чувствительность для распространения в метровом диапазоне». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 7 (1). IOP Publishing: 73–75. doi : 10.1088/1464-4258/7/1/011. ISSN  1464-4258. S2CID  120406651.
  8. ^ abcd Дуарте, Ф. Дж.; Тейлор, Т. С.; Кларк, А. Б.; Дэвенпорт, У. Э. (2009-11-25). "Интерферометр с N-щелью: расширенная конфигурация". Журнал оптики . 12 (1). Издательство IOP: 015705. Bibcode : 2010JOpt...12a5705D. doi : 10.1088/2040-8978/12/1/015705. ISSN  2040-8978. S2CID  121521124.
  9. ^ abcdefg Duarte, FJ; Taylor, TS; Black, AM; Davenport, WE; Varmette, PG (2011-02-03). "N-щелевой интерферометр для безопасной оптической связи в свободном пространстве: длина интраинтерферометрического пути 527 м". Journal of Optics . 13 (3). IOP Publishing: 035710. Bibcode :2011JOpt...13c5710D. doi :10.1088/2040-8978/13/3/035710. ISSN  2040-8978. S2CID  6086533.
  10. ^ abcdefg FJ Duarte, Электрооптическая интерферометрическая микроденситометрическая система, патент США 5255069 (1993) Архивировано 13 октября 2017 г. на Wayback Machine .
  11. ^ Ф. Дж. Дуарте, в книге « Мощные лазеры на красителях» (Springer-Verlag, Берлин, 1991), Глава 2.
  12. ^ Дуарте, Ф. Дж. (2002). «Безопасная интерферометрическая связь в свободном пространстве». Optics Communications . 205 (4–6). Elsevier BV: 313–319. Bibcode : 2002OptCo.205..313D. doi : 10.1016/s0030-4018(02)01384-6. ISSN  0030-4018.
  13. ^ FJ Duarte, Интерферометрическая визуализация, в Tunable Laser Applications , 2nd Edition (CRC, Нью-Йорк, 2009) Chapter 12.
  14. ^ Ф. Дж. Дуарте, Интерферометрическая визуализация, в книге «Применение перестраиваемых лазеров» (Марсель-Деккер, Нью-Йорк, 1995), Глава 5.
  15. ^ Л. Б. Дэн, Теория атомной оптики: подход интеграла по траекториям Фейнмана, Frontiers Phys. China 1 , 47-53 (2006).
  16. ^ Лю, Хунлинь; Шэнь, Ся; Чжу, Да-Мин; Хань, Шэньшэн (2007-11-07). "Фурье-преобразование призрачных изображений с чистым дальним полем коррелированного теплового света". Physical Review A. 76 ( 5). Американское физическое общество (APS): 053808. Bibcode : 2007PhRvA..76e3808L. doi : 10.1103/physreva.76.053808. ISSN  1050-2947.
  17. ^ FJ Duarte, Tunable Laser Optics, 2-е издание (CRC, Нью-Йорк, 2015) Глава 10.
  18. ^ Clauser, John F.; Dowling, Jonathan P. (1996-06-01). «Разложение целых чисел с помощью N-щелевого интерферометра Юнга». Physical Review A. 53 ( 6). Американское физическое общество (APS): 4587–4590. arXiv : 0810.4372 . Bibcode : 1996PhRvA..53.4587C. doi : 10.1103/physreva.53.4587. ISSN  1050-2947. PMID  9913434. S2CID  34750766.