تداخل سنجی نوری چیست؟ اصول و انواع تداخل سنج

تداخل سنجی (Interferometry) روشی است که با استفاده از تداخل امواج، کمیت هایی مانند فاصله، طول موج، ضریب شکست و تختی سطوح را با دقت بسیار بالا اندازه گیری می کند. این روش در فیزیک، نجوم، مهندسی، مترولوژی، طیف سنجی و پزشکی کاربرد گسترده ای دارد.

در تداخل سنجی، دو یا چند موج روی هم قرار می گیرند و یک الگوی تداخلی از نوارهای روشن و تاریک ایجاد می کنند. با تحلیل این الگو، می توان اطلاعاتی درباره خود امواج و اجسامی که امواج با آنها برهمکنش داشته اند به دست آورد.

کاربردهای تداخل سنجی بسیار متنوع است؛ از اندازه گیری قطر ظاهری ستارگان و آشکارسازی امواج گرانشی گرفته تا بررسی تختی سطوح اپتیکی و تعیین ضریب شکست مواد. در این مقاله با اصول تداخل سنجی نوری و انواع رایج تداخل سنج ها آشنا می شوید.

تداخل سنجی نوری چگونه کار می کند؟

در بیشتر تداخل سنج های نوری، یک پرتو نور به دو بخش تقسیم می شود. این دو پرتو مسیرهای جداگانه ای طی می کنند و سپس دوباره با هم ترکیب می شوند تا با یکدیگر تداخل کنند.

نتیجه این تداخل به اختلاف مسیر نوری دو پرتو بستگی دارد:

• اگر اختلاف مسیر دو پرتو مضرب صحیحی از طول موج باشد (Δ = mλ)، امواج هم فاز می رسند و تداخل سازنده رخ می دهد.

• اگر اختلاف مسیر نیم طول موج یا مضرب فرد آن باشد (Δ = (m + ½)λ)، امواج در خلاف فاز می رسند و تداخل ویرانگر رخ می دهد.

چون طول موج نور مرئی فقط چند صد نانومتر است، حتی تغییر بسیار کوچکی در طول یکی از مسیرها، الگوی تداخل را جابه جا می کند. به همین دلیل با شمردن یا اندازه گیری جابه جایی نوارهای تداخلی، می توان فاصله ها و تغییرات آنها را در حد کسری از طول موج نور اندازه گیری کرد.

تداخل سازنده

تداخل سازنده زمانی رخ می دهد که دو موج با فرکانس یکسان، هم فاز به هم برسند؛ یعنی قله ها روی قله ها و دره ها روی دره ها قرار گیرند. در این حالت دامنه موج حاصل افزایش می یابد و در الگوی تداخل، نوار روشن ایجاد می شود.

اگر دو موج همدوس با دامنه برابر به طور کامل هم فاز باشند، دامنه دو برابر و شدت نور چهار برابر شدت یک موج می شود. این موضوع با قانون پایستگی انرژی تناقضی ندارد، چون در نقاط تداخل ویرانگر، شدت به همان نسبت کاهش می یابد؛ تداخل فقط انرژی را در فضا بازتوزیع می کند.

تداخل ویرانگر

تداخل ویرانگر زمانی رخ می دهد که دو موج در خلاف فاز به هم برسند؛ یعنی قله یک موج روی دره موج دیگر قرار گیرد. در این حالت امواج یکدیگر را تضعیف یا به طور کامل خنثی می کنند و در الگوی تداخل، نوار تاریک ایجاد می شود.

همدوسی نور

برای اینکه تداخل پایدار و قابل مشاهده ایجاد شود، امواج باید همدوس باشند؛ یعنی اختلاف فاز ثابتی با هم داشته باشند. به همین دلیل در بیشتر تداخل سنج ها، دو پرتو از یک منبع نور گرفته می شوند. نور لیزر به دلیل همدوسی بالا، منبع ایده آلی برای تداخل سنجی است. اختلاف مسیر دو پرتو نیز نباید از طول همدوسی منبع نور بیشتر شود.

انواع تداخل سنج های نوری

تداخل سنج های نوری انواع مختلفی دارند که رایج ترین آنها عبارت اند از:

• آزمایش دو شکاف یانگ: ساده ترین و مشهورترین نمونه تداخل نور

• تداخل سنج مایکلسون: تقسیم پرتو به دو بازوی عمود بر هم با آینه

• تداخل سنج ماخ زندر: دو مسیر جداگانه با دو تقسیم کننده پرتو

• تداخل سنج فابری پرو: بازتاب های متعدد بین دو آینه موازی

آزمایش دو شکاف یانگ

آزمایش دو شکاف نخستین بار در اوایل قرن نوزدهم توسط توماس یانگ، دانشمند انگلیسی، انجام شد و یکی از مهم ترین آزمایش هایی بود که ماهیت موجی نور را اثبات کرد.

در این آزمایش، نور از دو شکاف باریک و نزدیک به هم عبور می کند و روی یک پرده می تابد. روی پرده، یک الگوی تداخلی شامل نوارهای روشن و تاریک متناوب دیده می شود. نور هر نقطه از پرده از دو شکاف با فاصله های متفاوت می رسد. بسته به اختلاف این فاصله ها، در برخی نقاط تداخل سازنده و در برخی دیگر تداخل ویرانگر رخ می دهد.

فاصله بین دو نوار روشن متوالی از این رابطه به دست می آید:

Δy = λL / d

که در آن λ طول موج نور، L فاصله شکاف ها تا پرده و d فاصله دو شکاف از هم است. با اندازه گیری فاصله نوارها، می توان طول موج نور را محاسبه کرد.

آزمایش دو شکاف و مکانیک کوانتومی

آزمایش دو شکاف نقش مهمی در توسعه مکانیک کوانتومی داشته است. وقتی این آزمایش با الکترون ها یا ذرات دیگر تکرار می شود، همان الگوی تداخلی مشاهده می شود. این نتیجه نشان می دهد که ذرات نیز رفتار موجی دارند و مفهوم دوگانگی موج و ذره را به خوبی نمایش می دهد.

تداخل سنج مایکلسون

تداخل سنج مایکلسون در دهه ۱۸۸۰ توسط آلبرت مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، ساخته شد. مایکلسون به خاطر ابزارهای اپتیکی دقیق و اندازه گیری های طیف سنجی و اندازه شناسی خود، در سال ۱۹۰۷ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. آزمایش مشهور مایکلسون و مورلی در سال ۱۸۸۷ با همین دستگاه انجام شد.

ساختار و نحوه کار

تداخل سنج مایکلسون از یک منبع نور، یک تقسیم کننده پرتو، دو آینه و یک آشکارساز تشکیل شده است:

1. تقسیم کننده پرتو، نور را به دو پرتو عمود بر هم تقسیم می کند.

2. هر پرتو به سمت یکی از آینه ها می رود و از آن بازتاب می شود.

3. دو پرتو بازتابی دوباره در تقسیم کننده پرتو به هم می رسند و با هم تداخل می کنند.

4. آشکارساز یا پرده، الگوی تداخلی حاصل را ثبت می کند.

با جابه جا کردن یکی از آینه ها، طول مسیر یکی از پرتوها تغییر می کند و نوارهای تداخلی جابه جا می شوند. چون نور مسیر رفت و برگشت را طی می کند، جابه جایی آینه به اندازه نیم طول موج باعث جابه جایی یک نوار کامل می شود:

Δd = N × λ / 2

که در آن N تعداد نوارهای جابه جا شده است. با این رابطه می توان طول موج نور یا جابه جایی های بسیار کوچک را اندازه گیری کرد.

اندازه گیری ضریب شکست

اگر ماده ای شفاف به ضخامت L در مسیر یکی از پرتوها قرار گیرد، چون نور در آن کندتر حرکت می کند، اختلاف مسیر نوری به اندازه 2(n − 1)L تغییر می کند. با شمردن نوارهای جابه جا شده، می توان ضریب شکست ماده را محاسبه کرد. برای آشنایی با روش دیگر اندازه گیری ضریب شکست، مقاله [رفراکتومتر] را بخوانید.

کاربردهای مهم تداخل سنج مایکلسون

• طیف سنجی FTIR: طیف سنج های فروسرخ تبدیل فوریه بر پایه تداخل سنج مایکلسون کار می کنند و یکی از مهم ترین ابزارهای طیف سنجی مولکولی هستند.

• آشکارسازی امواج گرانشی: رصدخانه لایگو از تداخل سنج های مایکلسون عظیم با بازوهای چهار کیلومتری استفاده می کند و در سال ۲۰۱۵ برای نخستین بار امواج گرانشی را مستقیما آشکار کرد. این کشف در سال ۲۰۱۷ جایزه نوبل فیزیک را به همراه داشت.

• اندازه گیری دقیق طول در مترولوژی و کالیبراسیون ماشین های دقیق

تداخل سنج ماخ زندر

تداخل سنج ماخ زندر نوع مستقلی از تداخل سنج است که برخلاف مایکلسون، دو پرتو را از دو مسیر کاملا جداگانه عبور می دهد و آنها را به نقطه شروع بازنمی گرداند. این تداخل سنج از دو تقسیم کننده پرتو و دو آینه تشکیل شده است که معمولا در چهار گوشه یک مستطیل قرار می گیرند.

1. تقسیم کننده پرتو اول، نور را به دو مسیر تقسیم می کند.

2. یک مسیر از نمونه مورد بررسی عبور می کند و مسیر دیگر به عنوان مرجع استفاده می شود.

3. دو پرتو پس از بازتاب از آینه ها، در تقسیم کننده پرتو دوم دوباره ترکیب می شوند و الگوی تداخلی ایجاد می کنند.

هرگونه تغییر در ضریب شکست یا ضخامت نمونه، فاز پرتو عبوری را تغییر می دهد و الگوی تداخل را جابه جا می کند. به همین دلیل این تداخل سنج برای اندازه گیری تغییرات کوچک ضریب شکست، مانند بررسی جریان گازها و تغییرات چگالی، بسیار مناسب است.

تداخل سنج های ماخ زندر در ارتباطات فیبر نوری به عنوان مدولاتور نوری، در حسگرهای نوری و در پردازش اطلاعات کوانتومی کاربرد گسترده ای دارند.

تداخل سنج فابری پرو

تداخل سنج فابری پرو از دو آینه موازی با بازتاب بالا تشکیل شده است که با فاصله مشخصی از هم قرار دارند. نور وارد فضای بین دو آینه می شود و بارها بین آنها رفت و برگشت می کند. پرتوهای عبوری حاصل از این بازتاب های متعدد با هم تداخل می کنند.

نتیجه این است که فقط طول موج هایی که شرط تشدید را برآورده می کنند، با شدت زیاد از تداخل سنج عبور می کنند و بقیه طول موج ها بازتاب می شوند. هرچه بازتاب آینه ها بیشتر باشد، این قله های عبور باریک تر و تفکیک طیفی دستگاه بیشتر است.

اگر فاصله آینه ها ثابت باشد، به این قطعه اتالون (Etalon) گفته می شود. با تغییر فاصله آینه ها یا زاویه تابش نور، می توان طول موج عبوری را تنظیم کرد.

کاربردهای تداخل سنج فابری پرو

• طیف سنجی با تفکیک بسیار بالا: برای اندازه گیری دقیق طول موج و ساختار ظریف خطوط طیفی

• تشدیدگر لیزر: دو آینه موازی در دو انتهای لیزر، در واقع یک تشدیدگر فابری پرو هستند.

• فیلترهای نوری باریک باند

• ارتباطات نوری: برای جداسازی کانال های طول موجی

انواع دیگر تداخل سنج

• تداخل سنج فیزو: برای بررسی تختی و شکل سطوح اپتیکی، مانند عدسی ها و آینه های اپتیکی

• تداخل سنج ساگناک: پایه ژیروسکوپ های فیبر نوری که در ناوبری هواپیماها و ماهواره ها استفاده می شوند

• تداخل سنجی نور سفید: برای اندازه گیری دقیق شکل و زبری سطوح

• توموگرافی همدوسی نوری (OCT): روش تصویربرداری پزشکی بر پایه تداخل سنجی که به ویژه در چشم پزشکی برای تصویربرداری از شبکیه استفاده می شود

• تداخل سنجی نجومی: ترکیب نور چند تلسکوپ برای رسیدن به تفکیک بسیار بالا و اندازه گیری قطر ظاهری ستارگان

کاربردهای تداخل سنجی نوری

• اندازه گیری دقیق فاصله، جابه جایی و ارتعاش

• اندازه گیری طول موج نور و طیف سنجی

• تعیین ضریب شکست مواد

• بررسی تختی و کیفیت سطوح اپتیکی

• آشکارسازی امواج گرانشی

• نجوم و اندازه گیری ستارگان

• ارتباطات فیبر نوری و حسگرهای نوری

• تصویربرداری پزشکی

سوالات متداول درباره تداخل سنجی

تداخل سنجی چیست؟

روشی برای اندازه گیری دقیق فاصله، طول موج، ضریب شکست و کمیت های دیگر با استفاده از الگوی تداخل امواج.

تفاوت تداخل سازنده و ویرانگر چیست؟

در تداخل سازنده امواج هم فاز به هم می رسند و نوار روشن ایجاد می کنند، اما در تداخل ویرانگر در خلاف فاز به هم می رسند و نوار تاریک ایجاد می کنند.

چرا در تداخل سنجی از لیزر استفاده می شود؟

چون نور لیزر همدوسی بالایی دارد و الگوی تداخلی پایدار و واضحی ایجاد می کند.

تداخل سنج مایکلسون چه کاربردی دارد؟

اندازه گیری طول موج، جابه جایی های بسیار کوچک و ضریب شکست؛ همچنین پایه طیف سنج های FTIR و آشکارسازهای امواج گرانشی است.

تفاوت تداخل سنج مایکلسون و ماخ زندر چیست؟

در مایکلسون پرتوها پس از بازتاب به تقسیم کننده پرتو اول برمی گردند، اما در ماخ زندر دو پرتو از مسیرهای جداگانه عبور کرده و در تقسیم کننده پرتو دوم ترکیب می شوند.

جمع بندی

تداخل سنجی نوری با استفاده از تداخل سازنده و ویرانگر امواج نور، امکان اندازه گیری کمیت هایی مانند فاصله، طول موج و ضریب شکست را با دقتی در حد کسری از طول موج نور فراهم می کند. آزمایش دو شکاف یانگ، تداخل سنج مایکلسون، ماخ زندر و فابری پرو چهار نوع اصلی تداخل سنج ها هستند که هر کدام چیدمان و کاربرد ویژه ای دارند؛ از طیف سنجی FTIR و تشدیدگرهای لیزر گرفته تا ارتباطات فیبر نوری و آشکارسازی امواج گرانشی.

برای آشنایی با محصولات اپتیکی و طیف سنجی بلورآزما، به صفحه [محصولات] مراجعه کنید.

منابع

• Springer Link