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Interferometría

Figura 1. Trayectoria de la luz a través de un interferómetro de Michelson . Los dos rayos de luz con una fuente común se combinan en el espejo semitransparente para llegar al d...

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Figura 1. Trayectoria de la luz a través de un interferómetro de Michelson . Los dos rayos de luz con una fuente común se combinan en el espejo semitransparente para llegar al detector. Pueden interferir constructivamente (aumentando su intensidad) si sus ondas luminosas llegan en fase, o interferir destructivamente (debilitándose) si llegan desfasadas, dependiendo de las distancias exactas entre los tres espejos.

La interferometría es una técnica que utiliza la interferencia de ondas superpuestas para extraer información. [ 1 ] La interferometría suele utilizar ondas electromagnéticas y es una técnica de investigación importante en los campos de la astronomía , la fibra óptica , la ingeniería , la metrología , la metrología óptica , la oceanografía , la sismología , la espectroscopia (y sus aplicaciones a la química ), la mecánica cuántica , la física nuclear y de partículas , la física de plasmas , las interacciones biomoleculares , el perfilado de superficies, la microfluídica , la medición de esfuerzos/deformaciones mecánicas, la velocimetría , la optometría y la creación de hologramas . [ 2 ] : 1–2

Los interferómetros son dispositivos que extraen información de la interferencia. Se utilizan ampliamente en ciencia e industria para la medición de desplazamientos microscópicos, cambios en el índice de refracción e irregularidades superficiales. En la mayoría de los interferómetros, la luz de una sola fuente se divide en dos haces que viajan por trayectorias ópticas diferentes, las cuales se combinan nuevamente para producir interferencia; en ciertas circunstancias, también se puede hacer interferir a dos fuentes incoherentes . [ 3 ] Las franjas de interferencia resultantes proporcionan información sobre la diferencia en las longitudes de las trayectorias ópticas . En ciencia analítica, los interferómetros se utilizan para medir longitudes y la forma de componentes ópticos con precisión nanométrica; son los instrumentos de medición de longitud de mayor precisión que existen. En espectroscopia de transformada de Fourier, se utilizan para analizar la luz que contiene características de absorción o emisión asociadas con una sustancia o mezcla. Un interferómetro astronómico consta de dos o más platos separados que correlacionan sus señales, ofreciendo una resolución equivalente a la de un telescopio de plato único con un diámetro igual a la mayor separación entre sus elementos individuales.

Principios básicos

Figura 2. Formación de franjas en un interferómetro de Michelson.
Figura 3. Franjas de color y monocromáticas en un interferómetro de Michelson: (a)  Franjas de luz blanca donde los dos haces difieren en el número de inversiones de fase; (b)  Franjas de luz blanca donde los dos haces han experimentado el mismo número de inversiones de fase; (c)  Patrón de franjas utilizando luz monocromática ( líneas D de sodio ).

La interferometría utiliza el principio de superposición para combinar ondas de manera que el resultado de su combinación tenga alguna propiedad significativa que permita diagnosticar el estado original de las ondas. Esto funciona porque, cuando se combinan dos ondas con la misma frecuencia , el patrón de intensidad resultante está determinado por la diferencia de fase entre ambas: las ondas en fase experimentan interferencia constructiva, mientras que las ondas desfasadas experimentan interferencia destructiva. Las ondas que no están completamente en fase ni completamente desfasadas presentan un patrón de intensidad intermedio, que puede utilizarse para determinar su diferencia de fase relativa. La mayoría de los interferómetros utilizan luz u otro tipo de onda electromagnética . [ 2 ] : 3–12

Normalmente (véase la figura  1, la conocida configuración de Michelson), un único haz de luz coherente incidente se divide en dos haces idénticos mediante un divisor de haz (un espejo parcialmente reflectante). Cada uno de estos haces recorre una ruta diferente, denominada trayectoria, y se recombinan antes de llegar a un detector. La diferencia de trayectoria, es decir, la diferencia en la distancia recorrida por cada haz, crea una diferencia de fase entre ellos. Es esta diferencia de fase la que genera el patrón de interferencia entre las ondas inicialmente idénticas. [ 2 ] : 14–17 Si un único haz se ha dividido en dos trayectorias, la diferencia de fase permite diagnosticar cualquier cambio en la fase a lo largo de dichas trayectorias. Esto podría deberse a un cambio físico en la longitud de la trayectoria o a un cambio en el índice de refracción a lo largo de la misma. [ 2 ] : 93–103

Como se observa en las figuras 2a y 2b, el observador tiene una vista directa del espejo M1 a través del divisor de haz y ve una imagen reflejada M'2 del espejo M2. Las franjas pueden interpretarse como el resultado de la interferencia entre la luz proveniente de las dos imágenes virtuales S'1 y S'2 de la fuente original S. Las características del patrón de interferencia dependen de la naturaleza de la fuente de luz y de la orientación precisa de los espejos y el divisor de haz. En la figura 2a , los elementos ópticos están orientados de manera que S'1 y S'2 estén alineados con el observador , y el patrón de interferencia resultante consiste en círculos centrados en la normal a M1 y M'2 . Si, como en la Fig. 2b, M 1 y M ′ 2 están inclinados uno respecto al otro, las franjas de interferencia generalmente adoptarán la forma de secciones cónicas (hipérbolas), pero si M ′ 1 y M ′ 2 se superponen, las franjas cerca del eje serán rectas, paralelas y equidistantes. Si S es una fuente extendida en lugar de una fuente puntual como se ilustra, las franjas de la Fig. 2a deben observarse con un telescopio ajustado al infinito, mientras que las franjas de la Fig. 2b estarán localizadas en los espejos. [ 2 ] : 17    

El uso de luz blanca dará como resultado un patrón de franjas de colores (véase la figura  3). [ 2 ] : 26 La franja central que representa una longitud de trayectoria igual puede ser clara u oscura dependiendo del número de inversiones de fase que experimenten los dos haces al atravesar el sistema óptico. [ 2 ] : 26, 171–172 (Véase el interferómetro de Michelson para una discusión al respecto).

Historia

La ley de interferencia de la luz fue descrita por Thomas Young en su Conferencia Bakeriana de 1803 ante la Royal Society de Londres. [ 4 ] Como preparación para la conferencia, Young realizó un experimento de doble apertura en un tanque de ondas de agua. Su interpretación en términos de interferencia de ondas fue rechazada por la mayoría de los científicos de la época debido al predominio de la teoría corpuscular de la luz de Isaac Newton , propuesta un siglo antes. [ 5 ]

El ingeniero francés Augustin-Jean Fresnel , sin conocer los resultados de Young, comenzó a trabajar en una teoría ondulatoria de la luz y la interferencia, y conoció a François Arago . Entre 1816 y 1818, Fresnel y Arago realizaron experimentos de interferencia en el Observatorio de París. Durante este tiempo, Arago diseñó y construyó el primer interferómetro, utilizándolo para medir el índice de refracción del aire húmedo en relación con el aire seco, lo que planteaba un problema potencial para las observaciones astronómicas de la posición de las estrellas. [ 6 ] El éxito de la teoría ondulatoria de la luz de Fresnel quedó demostrado en su premiada memoria de 1819, en la que predijo y midió patrones de difracción. El interferómetro de Arago fue empleado posteriormente en 1850 por Léon Foucault para medir la velocidad de la luz en el aire en relación con el agua, y fue utilizado de nuevo en 1851 por Hippolyte Fizeau para medir el efecto de la resistencia de Fresnel sobre la velocidad de la luz en el agua en movimiento. [ 7 ]

Jules Jamin desarrolló el primer interferómetro de haz único (que no requería una apertura divisora ​​como el interferómetro de Arago) en 1856. En 1881, el físico estadounidense Albert A. Michelson , durante una visita a Hermann von Helmholtz en Berlín, inventó el interferómetro que lleva su nombre, el interferómetro de Michelson , para investigar los efectos del movimiento de la Tierra sobre la velocidad de la luz. Los resultados nulos de Michelson, obtenidos en el sótano del Observatorio de Potsdam, a las afueras de Berlín (el tráfico de caballos en el centro de Berlín generaba demasiadas vibraciones), y sus posteriores resultados nulos más precisos, observados con Edward W. Morley en el Case College de Cleveland, Ohio, contribuyeron a la creciente crisis del éter luminífero. Einstein afirmó que fue la medición de la velocidad de la luz en agua en movimiento realizada por Fizeau con el interferómetro de Arago la que inspiró su teoría de la suma relativista de velocidades. [ 8 ]

Categorías

Los interferómetros y las técnicas interferométricas pueden clasificarse según diversos criterios:

Detección homodina frente a detección heterodina

En la detección homodina , la interferencia se produce entre dos haces con la misma longitud de onda (o frecuencia portadora ). La diferencia de fase entre ambos haces provoca un cambio en la intensidad de la luz que incide en el detector. Se mide la intensidad resultante tras la mezcla de estos dos haces, o bien se observa o registra el patrón de franjas de interferencia. [ 9 ] La mayoría de los interferómetros que se analizan en este artículo pertenecen a esta categoría.

La técnica heterodina se utiliza para (1) desplazar una señal de entrada a un nuevo rango de frecuencia y (2) amplificar una señal de entrada débil (suponiendo el uso de un mezclador activo ). Una señal de entrada débil de frecuencia f₁ se mezcla con una señal de referencia fuerte de frecuencia f₂ proveniente de un oscilador local (OL). La combinación no lineal de las señales de entrada crea dos nuevas señales: una con la suma f₁ +  f₂  de las dos frecuencias y otra con la diferencia f₁ − f₂ . Estas nuevas frecuencias se denominan heterodinas . Normalmente , solo se desea una de las nuevas frecuencias, y la otra se filtra a la salida del mezclador. La señal de salida tendrá una intensidad proporcional al producto de las amplitudes de las señales de entrada. [ 9 ]  

La aplicación más importante y extendida de la técnica heterodina se encuentra en el receptor superheterodino (superhet), inventado entre 1917 y 1918 por el ingeniero estadounidense Edwin Howard Armstrong y el ingeniero francés Lucien Lévy . En este circuito, la señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla con una señal de un oscilador local (LO) y se convierte, mediante la técnica heterodina, en una señal de frecuencia fija más baja denominada frecuencia intermedia (FI). Esta FI se amplifica y filtra antes de aplicarse a un detector que extrae la señal de audio, la cual se envía al altavoz. [ 10 ]

La detección heterodina óptica es una extensión de la técnica heterodina a frecuencias más altas (visibles). [ 9 ] Si bien la interferometría heterodina óptica generalmente se realiza en un solo punto, también es posible realizarla en un campo amplio. [ 11 ]

Doble camino versus camino común

Figura 4. Cuatro ejemplos de interferómetros de trayectoria común.

Un interferómetro de doble trayectoria es aquel en el que el haz de referencia y el haz de muestra viajan por trayectorias divergentes. Algunos ejemplos son el interferómetro de Michelson , el interferómetro de Twyman-Green y el interferómetro de Mach-Zehnder . Tras ser perturbado por la interacción con la muestra bajo prueba, el haz de muestra se recombina con el haz de referencia para crear un patrón de interferencia que posteriormente puede interpretarse. [ 2 ] : 13–22

Un interferómetro de trayectoria común es un tipo de interferómetro en el que el haz de referencia y el haz de muestra viajan por la misma trayectoria. La figura  4 ilustra el interferómetro de Sagnac , el giroscopio de fibra óptica , el interferómetro de difracción puntual y el interferómetro de cizallamiento lateral . Otros ejemplos de interferómetros de trayectoria común incluyen el microscopio de contraste de fase de Zernike , el biprisma de Fresnel , el Sagnac de área cero y el interferómetro de placa dispersora . [ 12 ]

Desdoblamiento del frente de onda frente a desdoblamiento de amplitud

inferómetros de división de frente de onda

Un interferómetro divisor de frente de onda divide un frente de onda de luz que emerge de un punto o una hendidura estrecha ( es decir , luz espacialmente coherente) y, después de permitir que las dos partes del frente de onda viajen por diferentes caminos, permite que se recombinen. [ 13 ] La figura  5 ilustra el experimento de interferencia de Young y el espejo de Lloyd . Otros ejemplos de interferómetros divisores de frente de onda incluyen el biprisma de Fresnel, la lente doble de Billet, el interferómetro de Michelson de rejilla de difracción, [ 14 ] y el interferómetro de Rayleigh . [ 15 ]

Figura 5. Dos interferómetros divisores de frente de onda.

En 1803, el experimento de interferencia de Young desempeñó un papel fundamental en la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz. Si se utiliza luz blanca en el experimento de Young, el resultado es una banda central blanca de interferencia constructiva que corresponde a trayectorias iguales desde las dos rendijas, rodeada por un patrón simétrico de franjas de colores de intensidad decreciente. Además de la radiación electromagnética continua, el experimento de Young se ha realizado con fotones individuales, [ 16 ] con electrones, [ 17 ] [ 18 ] y con moléculas de fulerenos lo suficientemente grandes como para ser vistas bajo un microscopio electrónico . [ 19 ]

El espejo de Lloyd genera franjas de interferencia al combinar la luz directa de una fuente (líneas azules) con la luz de la imagen reflejada de dicha fuente (líneas rojas) en un espejo con incidencia rasante. El resultado es un patrón asimétrico de franjas. La banda de igual longitud de trayectoria, más cercana al espejo, es oscura en lugar de brillante. En 1834, Humphrey Lloyd interpretó este efecto como prueba de que la fase de un haz reflejado en la superficie frontal está invertida. [ 20 ] [ 21 ]

Inferómetros de división de amplitud

Figura 6. Tres interferómetros de división de amplitud: Fizeau , Mach-Zehnder y Fabry-Pérot .

Un interferómetro divisor de amplitud utiliza un reflector parcial para dividir la amplitud de la onda incidente en haces separados que luego se separan y se recombinan.

El interferómetro de Fizeau se muestra tal como podría configurarse para probar una superficie óptica plana . Una superficie plana de referencia, con forma precisa, se coloca sobre la superficie plana que se está probando, separada por espaciadores estrechos. La superficie plana de referencia está ligeramente biselada (solo se requiere una fracción de grado de biselado) para evitar que la superficie posterior de la superficie plana produzca franjas de interferencia. La separación de las superficies planas de prueba y de referencia permite inclinarlas una con respecto a la otra. Ajustando la inclinación, que añade un gradiente de fase controlado al patrón de franjas, se puede controlar el espaciado y la dirección de las franjas, de modo que se puede obtener una serie de franjas casi paralelas fácilmente interpretables en lugar de un complejo remolino de líneas de contorno. Sin embargo, la separación de las placas requiere que la luz de iluminación esté colimada. La figura  6 muestra un haz colimado de luz monocromática que ilumina las dos superficies planas y un divisor de haz que permite observar las franjas en el eje. [ 22 ] [ 23 ]

El interferómetro de Mach-Zehnder es un instrumento más versátil que el interferómetro de Michelson. Cada una de las trayectorias de luz bien separadas se recorre solo una vez, y las franjas se pueden ajustar para que se localicen en cualquier plano deseado. [ 2 ] : 18 Normalmente, las franjas se ajustarían para que estuvieran en el mismo plano que el objeto de prueba, de modo que las franjas y el objeto de prueba se puedan fotografiar juntos. Si se decide producir franjas en luz blanca, entonces, dado que la luz blanca tiene una longitud de coherencia limitada , del orden de micrómetros , se debe tener mucho cuidado para igualar las trayectorias ópticas o no se verán franjas. Como se ilustra en la Fig.  6, se colocaría una celda compensadora en la trayectoria del haz de referencia para que coincida con la celda de prueba. Nótese también la orientación precisa de los divisores de haz. Las superficies reflectantes de los divisores de haz se orientarían de manera que los haces de prueba y de referencia pasen a través de una cantidad igual de vidrio. En esta orientación, los haces de prueba y de referencia experimentan cada uno dos reflexiones en la superficie frontal, lo que resulta en el mismo número de inversiones de fase. El resultado es que la luz que recorre una longitud de trayectoria óptica igual en los haces de prueba y de referencia produce una franja de luz blanca de interferencia constructiva. [ 24 ] [ 25 ]

El núcleo del interferómetro Fabry-Pérot es un par de láminas ópticas de vidrio parcialmente plateadas, separadas por varios milímetros o centímetros, con las superficies plateadas enfrentadas. (Alternativamente, un etalón Fabry-Pérot utiliza una placa transparente con dos superficies reflectantes paralelas). [ 2 ] : 35–36 Al igual que en el interferómetro Fizeau, las láminas están ligeramente biseladas. En un sistema típico, la iluminación la proporciona una fuente difusa situada en el plano focal de una lente colimadora. Una lente de enfoque produce lo que sería una imagen invertida de la fuente si las láminas no estuvieran presentes; es decir, en ausencia de las láminas, toda la luz emitida desde el punto A que pasa a través del sistema óptico se enfocaría en el punto A'. En la Fig.  6, solo se traza un rayo emitido desde el punto A en la fuente. A medida que el rayo pasa a través de las láminas, se refleja varias veces para producir múltiples rayos transmitidos que son recogidos por la lente de enfoque y llevados al punto A' en la pantalla. El patrón de interferencia completo adquiere la apariencia de un conjunto de anillos concéntricos. La nitidez de los anillos depende de la reflectividad de las superficies planas. Si la reflectividad es alta, resultando en un factor Q alto (es decir, alta finura), la luz monocromática produce un conjunto de anillos brillantes y estrechos sobre un fondo oscuro. [ 26 ] En la Fig.  6, la imagen de baja finura corresponde a una reflectividad de 0,04 (es decir, superficies sin plata) frente a una reflectividad de 0,95 para la imagen de alta finura.

La figura  6 ilustra los interferómetros de Fizeau, Mach-Zehnder y Fabry-Pérot. Otros ejemplos de interferómetros de división de amplitud incluyen los interferómetros de Michelson , Twyman-Green , Laser Unequal Path y Linnik . [ 27 ]

Michelson-Morley

Michelson y Morley (1887) [ 28 ] y otros experimentadores pioneros que utilizaron técnicas interferométricas para intentar medir las propiedades del éter luminífero , emplearon luz monocromática únicamente para la configuración inicial de su equipo, cambiando siempre a luz blanca para las mediciones propiamente dichas. Esto se debía a que las mediciones se registraban visualmente. La luz monocromática producía un patrón de franjas uniforme. Al carecer de medios modernos para el control de la temperatura ambiental , los experimentadores lidiaban con la continua deriva de las franjas, incluso cuando el interferómetro se instalaba en un sótano. Dado que las franjas desaparecían ocasionalmente debido a vibraciones causadas por el paso de caballos, tormentas eléctricas lejanas y similares, era fácil que un observador se "perdiera" cuando las franjas volvían a ser visibles. Las ventajas de la luz blanca, que producía un patrón de franjas de color distintivo, superaban con creces las dificultades de alinear el aparato debido a su baja longitud de coherencia . [ 29 ] Este fue un ejemplo temprano del uso de luz blanca para resolver la "  ambigüedad de 2π".

Aplicaciones

Física y astronomía

La interferometría se utiliza en radioastronomía, con desfases temporales de: D sin θ  

En física, uno de los experimentos más importantes de finales del siglo XIX fue el famoso "experimento fallido" de Michelson y Morley , que proporcionó evidencia de la relatividad especial . Repeticiones recientes del experimento de Michelson-Morley realizan mediciones heterodinas de las frecuencias de batido de resonadores ópticos criogénicos cruzados . La figura  7 ilustra un experimento con resonadores realizado por Müller et al. en 2003. [ 30 ] Dos resonadores ópticos construidos con zafiro cristalino, que controlaban las frecuencias de dos láseres, se colocaron en ángulo recto dentro de un criostato de helio . Un comparador de frecuencia midió la frecuencia de batido de las salidas combinadas de los dos resonadores. A partir de 2009, la precisión con la que se puede excluir la anisotropía de la velocidad de la luz en experimentos con resonadores es del nivel 10 −17 . [ 31 ] [ 32 ]

Los interferómetros de Michelson se utilizan en filtros ópticos de banda estrecha sintonizables [ 33 ] y como componente de hardware principal de espectrómetros de transformada de Fourier . [ 34 ]

Cuando se utilizan como filtros de banda estrecha sintonizables, los interferómetros de Michelson presentan varias ventajas y desventajas en comparación con tecnologías competidoras como los interferómetros Fabry-Pérot o los filtros Lyot . Los interferómetros de Michelson tienen el mayor campo de visión para una longitud de onda específica y son relativamente sencillos de operar, ya que la sintonización se realiza mediante la rotación mecánica de láminas de onda en lugar de mediante el control de alto voltaje de cristales piezoeléctricos o moduladores ópticos de niobato de litio , como se utiliza en un sistema Fabry-Pérot. En comparación con los filtros Lyot, que utilizan elementos birrefringentes, los interferómetros de Michelson tienen una sensibilidad a la temperatura relativamente baja. Como desventaja, los interferómetros de Michelson tienen un rango de longitud de onda relativamente restringido y requieren el uso de prefiltros que limitan la transmitancia . [ 35 ]

La figura  8 ilustra el funcionamiento de un espectrómetro de transformada de Fourier, que es esencialmente un interferómetro de Michelson con un espejo móvil. (Un espectrómetro de transformada de Fourier práctico sustituiría los espejos planos del interferómetro de Michelson convencional por reflectores de esquina, pero por simplicidad, la ilustración no lo muestra). Se genera un interferograma midiendo la señal en varias posiciones discretas del espejo móvil. Una transformada de Fourier convierte el interferograma en un espectro real. [ 36 ]

La figura  9 muestra una imagen Doppler de la corona solar obtenida mediante un interferómetro Fabry-Pérot sintonizable para recuperar escaneos de la corona solar en varias longitudes de onda cercanas a la línea verde de FeXIV. La imagen es una representación cromática del desplazamiento Doppler de la línea, que puede estar asociado con la velocidad del plasma coronal hacia o desde la cámara del satélite.

Los etalones de película delgada Fabry-Pérot se utilizan en filtros de paso de banda estrecho capaces de seleccionar una única línea espectral para la formación de imágenes; por ejemplo, la línea H-alfa o la línea Ca-K del Sol o las estrellas. La Fig.  10 muestra una imagen del Sol del Telescopio de Imágenes Ultravioleta Extrema  (EIT) a 195 Ångströms (19,5  nm), correspondiente a una línea espectral de átomos de hierro ionizados múltiples. [ 37 ] El EIT utilizó espejos reflectantes con recubrimiento multicapa que estaban recubiertos con capas alternas de un elemento "espaciador" ligero (como el silicio) y un elemento "dispersor" pesado (como el molibdeno). Aproximadamente 100 capas de cada tipo se colocaron en cada espejo, con un espesor de alrededor de 10  nm cada una. Los espesores de las capas se controlaron con precisión para que, a la longitud de onda deseada, los fotones reflejados de cada capa interfirieran constructivamente.

El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) utiliza dos interferómetros Michelson-Fabry-Pérot de 4 km para la detección de ondas gravitacionales . [ 38 ] En esta aplicación, la cavidad Fabry-Pérot se utiliza para almacenar fotones durante casi un milisegundo mientras rebotan entre los espejos. Esto aumenta el tiempo que una onda gravitacional puede interactuar con la luz, lo que resulta en una mayor sensibilidad a bajas frecuencias. Se utilizan cavidades más pequeñas, generalmente llamadas limpiadores de modo, para el filtrado espacial y la estabilización de frecuencia del láser principal. La primera observación de ondas gravitacionales tuvo lugar el 14 de septiembre de 2015. [ 39 ]

El espacio de trabajo relativamente grande y de fácil acceso del interferómetro de Mach-Zehnder, así como su flexibilidad para localizar las franjas, lo han convertido en el interferómetro de elección para visualizar el flujo en túneles de viento [ 40 ] [ 41 ] y para estudios de visualización de flujo en general. Se utiliza frecuentemente en los campos de la aerodinámica, la física de plasmas y la transferencia de calor para medir cambios de presión, densidad y temperatura en gases [ 2 ] : 18, 93-95 .

Los interferómetros de Mach-Zehnder también se utilizan para estudiar una de las predicciones más contraintuitivas de la mecánica cuántica, el fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico . [ 42 ] [ 43 ]

Figura 11. El interferómetro del VLA

Un interferómetro astronómico logra observaciones de alta resolución utilizando la técnica de síntesis de apertura , mezclando señales de un conjunto de telescopios relativamente pequeños en lugar de un único telescopio monolítico muy costoso. [ 44 ]

Los primeros interferómetros de radiotelescopios utilizaban una única línea de base para la medición. Los interferómetros astronómicos posteriores, como el Very Large Array ilustrado en la figura  11, utilizan una matriz de telescopios dispuestos en un patrón sobre el terreno. Disponer de más líneas de base permite que el interferómetro sea sensible a una mayor variedad de estructuras en la observación. Un número limitado de líneas de base resultaría en una cobertura insuficiente. Esto se mitigó utilizando la rotación de la Tierra para rotar la matriz con respecto al cielo. De este modo, una única línea de base podía medir información en múltiples orientaciones mediante mediciones repetidas, una técnica denominada síntesis de rotación terrestre . Se lograron líneas de base de miles de kilómetros de longitud utilizando interferometría de muy larga base . [ 44 ]

ALMA es un interferómetro astronómico ubicado en la meseta de Chajnantor [ 45 ].

La interferometría óptica astronómica ha tenido que superar una serie de problemas técnicos que no comparte la interferometría de radiotelescopios. Las cortas longitudes de onda de la luz requieren una precisión y estabilidad de construcción extremas. Por ejemplo, una resolución espacial de 1 miliarcosegundo requiere  una estabilidad de 0,5 μm en una  línea base de 100 m. Las mediciones interferométricas ópticas requieren detectores de alta sensibilidad y bajo ruido que no estuvieron disponibles hasta finales de la década de 1990. El "seeing" astronómico , la turbulencia que hace que las estrellas centelleen, introduce cambios de fase rápidos y aleatorios en la luz incidente, lo que requiere que las tasas de recolección de datos sean más rápidas que la tasa de turbulencia. [ 46 ] [ 47 ] A pesar de estas dificultades técnicas, actualmente hay tres instalaciones importantes en funcionamiento que ofrecen resoluciones de hasta el rango de fracciones de miliarcosegundo.

El carácter ondulatorio de la materia puede aprovecharse para construir interferómetros. Los primeros ejemplos de interferómetros de materia fueron los interferómetros de electrones , seguidos posteriormente por los interferómetros de neutrones . Alrededor de 1990 se demostraron los primeros interferómetros atómicos , seguidos más tarde por interferómetros que empleaban moléculas. [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]

La holografía electrónica es una técnica de imagen que registra fotográficamente el patrón de interferencia electrónica de un objeto, el cual se reconstruye para obtener una imagen muy ampliada del objeto original. [ 51 ] Esta técnica se desarrolló para lograr una mayor resolución en la microscopía electrónica que la que se obtiene con las técnicas de imagen convencionales. La resolución de la microscopía electrónica convencional no está limitada por la longitud de onda de los electrones, sino por las grandes aberraciones de las lentes electrónicas. [ 52 ]

La interferometría de neutrones se ha utilizado para investigar el efecto Aharonov-Bohm , examinar los efectos de la gravedad sobre una partícula elemental y demostrar un comportamiento peculiar de los fermiones que constituye la base del principio de exclusión de Pauli : a diferencia de los objetos macroscópicos, cuando los fermiones giran 360° alrededor de cualquier eje, no regresan a su estado original, sino que desarrollan un signo negativo en su función de onda. En otras palabras, un fermión necesita girar 720° antes de volver a su estado original. [ 53 ]

Las técnicas de interferometría atómica están alcanzando la precisión suficiente para permitir pruebas de relatividad general a escala de laboratorio . [ 54 ]

Los interferómetros se utilizan en física atmosférica para mediciones de alta precisión de gases traza mediante sondeo remoto de la atmósfera. Existen varios ejemplos de interferómetros que utilizan las características de absorción o emisión de los gases traza. Un uso típico sería el monitoreo continuo de la concentración columnar de gases traza como el ozono y el monóxido de carbono por encima del instrumento. [ 55 ]

Ingeniería y ciencias aplicadas

Figura 13. Franjas de interferencia ópticas planas. (izquierda) una superficie plana, indicada por un patrón de franjas de interferencia rectas paralelas a intervalos iguales; (derecha) superficie curva.
Cómo se forman las franjas de interferencia cuando una superficie óptica plana descansa sobre una superficie reflectante. La distancia entre las superficies y la longitud de onda de las ondas de luz se exageran considerablemente.

La interferometría de Newton (placa de prueba) se utiliza frecuentemente en la industria óptica para comprobar la calidad de las superficies durante su conformado y acabado. La figura  13 muestra fotografías de placas de referencia utilizadas para comprobar dos placas de prueba en diferentes etapas de acabado, mostrando los distintos patrones de franjas de interferencia. Las placas de referencia están apoyadas con sus superficies inferiores en contacto con las placas de prueba y se iluminan con una fuente de luz monocromática. Las ondas de luz reflejadas por ambas superficies interfieren, dando como resultado un patrón de bandas claras y oscuras. La superficie de la fotografía de la derecha es irregular, lo que produce un patrón de franjas curvas. Cada par de franjas adyacentes representa una diferencia en la elevación de la superficie de media longitud de onda de la luz utilizada, por lo que las diferencias de elevación se pueden medir contando las franjas. La planitud de las superficies se puede medir con una precisión de millonésimas de pulgada mediante este método. Para determinar si la superficie que se está probando es cóncava o convexa con respecto a la placa óptica de referencia, se pueden adoptar varios procedimientos. Se puede observar cómo se desplazan las franjas al presionar suavemente la placa superior. Si se observan las franjas bajo luz blanca, la secuencia de colores se vuelve familiar con la experiencia y facilita su interpretación. Finalmente, se puede comparar la apariencia de las franjas al mover la cabeza desde una posición de visión normal a una oblicua. [ 56 ] Este tipo de maniobras, si bien son comunes en el taller de óptica, no son adecuadas para un entorno de pruebas formal. Cuando las superficies planas están listas para la venta, normalmente se montan en un interferómetro de Fizeau para su prueba y certificación formales.

Los etalones Fabry-Pérot se utilizan ampliamente en telecomunicaciones , láseres y espectroscopia para controlar y medir las longitudes de onda de la luz. Los filtros dicroicos son etalones de película delgada de múltiples capas . En telecomunicaciones, la multiplexación por división de longitud de onda (LDM ) , la tecnología que permite el uso de múltiples longitudes de onda de luz a través de una sola fibra óptica, depende de dispositivos de filtrado que son etalones de película delgada. Los láseres monomodo emplean etalones para suprimir todos los modos de la cavidad óptica excepto el de interés. [ 2 ] : 42

Figura 14. Interferómetro de Twyman-Green

El interferómetro de Twyman-Green, inventado por Twyman y Green en 1916, es una variante del interferómetro de Michelson ampliamente utilizado para probar componentes ópticos. [ 57 ] Las características básicas que lo distinguen de la configuración de Michelson son el uso de una fuente de luz puntual monocromática y un colimador. Michelson (1918) criticó la configuración de Twyman-Green por ser inadecuada para probar componentes ópticos grandes, ya que las fuentes de luz disponibles en ese momento tenían una longitud de coherencia limitada . Michelson señaló que las restricciones en la geometría impuestas por la longitud de coherencia limitada requerían el uso de un espejo de referencia del mismo tamaño que el espejo de prueba, lo que hacía que el Twyman-Green fuera poco práctico para muchos propósitos. [ 58 ] Décadas más tarde, la llegada de las fuentes de luz láser respondió a las objeciones de Michelson. (Un interferómetro de Twyman-Green que utiliza una fuente de luz láser y una longitud de trayectoria desigual se conoce como interferómetro láser de trayectoria desigual, o LUPI. [ 59 ] ) La figura  14 ilustra un interferómetro de Twyman-Green configurado para probar una lente. La luz de una fuente puntual monocromática se expande mediante una lente divergente (no mostrada) y luego se colima en un haz paralelo. Un espejo esférico convexo se coloca de manera que su centro de curvatura coincida con el foco de la lente que se está probando. El haz emergente se registra mediante un sistema de imágenes para su análisis. [ 60 ]

Los interferómetros de Mach-Zehnder se utilizan en circuitos ópticos integrados , donde la luz interfiere entre dos ramas de una guía de ondas moduladas externamente para variar su fase relativa. Una ligera inclinación de uno de los divisores de haz produce una diferencia de trayectoria y un cambio en el patrón de interferencia. Los interferómetros de Mach-Zehnder son la base de una amplia variedad de dispositivos, desde moduladores de RF hasta sensores [ 61 ] [ 62 ] e interruptores ópticos [ 63 ] .

Algunos telescopios astronómicos extremadamente grandes , tanto propuestos como futuros , como el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Extremadamente Grande , tendrán un diseño segmentado. Sus espejos primarios estarán compuestos por cientos de segmentos hexagonales. El pulido y la configuración de estos segmentos, altamente asféricos y sin simetría rotacional, representan un gran desafío. Los métodos tradicionales de prueba óptica comparan una superficie con una referencia esférica mediante un corrector nulo . Los hologramas generados por computadora complementan los correctores nulos en las configuraciones de prueba para superficies asféricas complejas. La figura  15 ilustra cómo se realiza esto. (A diferencia de la figura, los hologramas generados por computadora reales tienen un espaciado entre líneas del orden de 1 a 10  μm). Cuando la luz láser atraviesa el holograma, el haz difractado de orden cero no experimenta ninguna modificación del frente de onda. Sin embargo, el frente de onda del haz difractado de primer orden se modifica para coincidir con la forma deseada de la superficie de prueba. En la configuración de prueba del interferómetro de Fizeau ilustrada, el haz difractado de orden cero se dirige hacia la superficie de referencia esférica, y el haz difractado de primer orden se dirige hacia la superficie de prueba de tal manera que los dos haces reflejados se combinan para formar franjas de interferencia. [ 64 ]

Figura 15. Prueba óptica con un interferómetro de Fizeau y un holograma generado por computadora.

Los giroscopios láser de anillo (RLG) y los giroscopios de fibra óptica (FOG) son interferómetros utilizados en sistemas de navegación. Funcionan según el principio del efecto Sagnac . La diferencia entre los RLG y los FOG radica en que, en un RLG, todo el anillo forma parte del láser, mientras que en un FOG, un láser externo inyecta haces que se propagan en direcciones opuestas en un anillo de fibra óptica , y la rotación del sistema provoca un desfase relativo entre dichos haces. En un RLG, el desfase observado es proporcional a la rotación acumulada, mientras que en un FOG, el desfase observado es proporcional a la velocidad angular. [ 65 ]

En las redes de telecomunicaciones, la heterodina se utiliza para mover las frecuencias de señales individuales a diferentes canales que pueden compartir una única línea de transmisión física. Esto se denomina multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, un cable coaxial utilizado por un sistema de televisión por cable puede transmitir 500 canales de televisión simultáneamente, ya que a cada uno se le asigna una frecuencia diferente, evitando así la interferencia entre ellos. Los detectores de radar Doppler de onda continua (CW) son básicamente dispositivos de detección heterodina que comparan haces transmitidos y reflejados. [ 66 ]

La detección heterodina óptica se utiliza para mediciones lidar Doppler coherentes , capaces de detectar luz muy débil dispersada en la atmósfera y monitorizar velocidades del viento con alta precisión. Tiene aplicaciones en comunicaciones por fibra óptica , en diversas técnicas espectroscópicas de alta resolución, y el método autoheterodino puede utilizarse para medir el ancho de línea de un láser. [ 9 ] [ 67 ]

Figura 16. Peine de frecuencias de un láser de modo bloqueado. Las líneas discontinuas representan una extrapolación de las frecuencias de los modos hacia la frecuencia del desfase portadora-envolvente (CEO). La línea vertical gris representa una frecuencia óptica desconocida. Las líneas horizontales negras indican las dos mediciones de frecuencia de batido más bajas.

La detección heterodina óptica es una técnica esencial para la medición precisa de las frecuencias de fuentes ópticas, así como para la estabilización de las mismas. Hasta hace relativamente pocos años, se requerían largas cadenas de frecuencias para conectar la frecuencia de microondas de una fuente de tiempo atómico de cesio u otra fuente de tiempo atómico con las frecuencias ópticas. En cada paso de la cadena, se utilizaba un multiplicador de frecuencia para generar un armónico de la frecuencia de ese paso, que se comparaba mediante detección heterodina con el siguiente paso (la salida de una fuente de microondas, un láser infrarrojo lejano, un láser infrarrojo o un láser visible). Cada medición de una sola línea espectral requería varios años de trabajo en la construcción de una cadena de frecuencias personalizada. Actualmente, los peines de frecuencias ópticas ofrecen un método mucho más sencillo para medir frecuencias ópticas. Si un láser de modo bloqueado se modula para formar un tren de pulsos, su espectro consiste en la frecuencia portadora rodeada por un peine de frecuencias de banda lateral ópticas muy próximas entre sí, con una separación igual a la frecuencia de repetición de pulsos (Fig.  16). La frecuencia de repetición de pulsos se sincroniza con la del patrón de frecuencia , y las frecuencias de los elementos del peine en el extremo rojo del espectro se duplican y se heterodinan con las frecuencias de los elementos del peine en el extremo azul del espectro, lo que permite que el peine sirva como su propia referencia. De esta manera, la sincronización de la salida del peine de frecuencias con un patrón atómico se puede realizar en un solo paso. Para medir una frecuencia desconocida, la salida del peine de frecuencias se dispersa en un espectro. La frecuencia desconocida se superpone con el segmento espectral apropiado del peine y se mide la frecuencia de los batidos heterodinos resultantes. [ 68 ] [ 69 ]

Una de las aplicaciones industriales más comunes de la interferometría óptica es como herramienta de medición versátil para el examen de alta precisión de la topografía de superficies. Las técnicas de medición interferométrica más populares incluyen la interferometría de desplazamiento de fase (PSI), [ 70 ] y la interferometría de escaneo vertical (VSI), [ 71 ] también conocida como interferometría de luz blanca de escaneo (SWLI) o por el término ISO interferometría de escaneo de coherencia (CSI), [ 72 ] CSI aprovecha la coherencia para extender el rango de capacidades para la microscopía de interferencia. [ 73 ] [ 74 ] Estas técnicas se utilizan ampliamente en la fabricación microelectrónica y microóptica. PSI utiliza luz monocromática y proporciona mediciones muy precisas; sin embargo, solo es utilizable para superficies muy lisas. CSI a menudo utiliza luz blanca y altas aperturas numéricas, y en lugar de observar la fase de las franjas, como lo hace PSI, busca la mejor posición de máximo contraste de franja u alguna otra característica del patrón de franja general. En su forma más simple, CSI proporciona mediciones menos precisas que PSI, pero puede utilizarse en superficies rugosas. Algunas configuraciones de CSI, conocidas como VSI mejorada (EVSI), SWLI de alta resolución o análisis en el dominio de la frecuencia (FDA), utilizan efectos de coherencia en combinación con la fase de interferencia para mejorar la precisión. [ 75 ] [ 76 ]

Figura 17. Interferómetros de escaneo de coherencia y desplazamiento de fase.

La interferometría de desplazamiento de fase aborda varios problemas asociados con el análisis clásico de interferogramas estáticos. Clásicamente, se miden las posiciones de los centros de las franjas. Como se observa en la Fig.  13, las desviaciones de las franjas respecto a la rectitud y el espaciado uniforme proporcionan una medida de la aberración. Los errores al determinar la ubicación de los centros de las franjas constituyen el límite inherente a la precisión del análisis clásico, y cualquier variación de intensidad a lo largo del interferograma también introduce errores. Existe una compensación entre precisión y número de puntos de datos: las franjas muy próximas proporcionan muchos puntos de datos de baja precisión, mientras que las franjas muy próximas proporcionan un número reducido de puntos de datos de alta precisión. Dado que en el análisis clásico solo se utilizan los datos de los centros de las franjas, se descarta toda la demás información que teóricamente podría obtenerse mediante un análisis detallado de las variaciones de intensidad en un interferograma. [ 77 ] [ 78 ] Finalmente, con interferogramas estáticos, se necesita información adicional para determinar la polaridad del frente de onda: En la Fig.  13, se puede ver que la superficie probada a la derecha se desvía de la planitud, pero no se puede determinar a partir de esta única imagen si esta desviación de la planitud es cóncava o convexa. Tradicionalmente, esta información se obtendría utilizando medios no automatizados, como observando la dirección en la que se mueven las franjas cuando se empuja la superficie de referencia. [ 79 ]

La interferometría de desplazamiento de fase supera estas limitaciones al no depender de encontrar centros de franjas, sino al recopilar datos de intensidad de cada punto del sensor de imagen CCD . Como se ve en la Fig.  17, se analizan múltiples interferogramas (al menos tres) con la superficie óptica de referencia desplazada una fracción precisa de una longitud de onda entre cada exposición usando un transductor piezoeléctrico (PZT). Alternativamente, se pueden introducir desplazamientos de fase precisos modulando la frecuencia del láser. [ 80 ] Las imágenes capturadas son procesadas por una computadora para calcular los errores del frente de onda óptico. La precisión y reproducibilidad de PSI es mucho mayor que la posible en el análisis de interferogramas estáticos, siendo rutinarias las repetibilidades de medición de una centésima de longitud de onda. [ 77 ] [ 78 ] La tecnología de desplazamiento de fase se ha adaptado a una variedad de tipos de interferómetros como Twyman-Green, Mach-Zehnder, Fizeau láser e incluso configuraciones de trayectoria comunes como difracción puntual e interferómetros de corte lateral. [ 79 ] [ 81 ] De manera más general, las técnicas de desplazamiento de fase se pueden adaptar a casi cualquier sistema que utilice franjas para la medición, como la interferometría holográfica y de moteado. [ 79 ]

Figura 18. Células lunares de Nepenthes khasiana visualizadas mediante interferometría de luz blanca de barrido (SWLI).
Figura  19. Interferómetro de Twyman-Green configurado como escáner de luz blanca.

En la interferometría de escaneo de coherencia , [ 82 ] la interferencia solo se logra cuando los retardos de longitud de trayectoria del interferómetro coinciden dentro del tiempo de coherencia de la fuente de luz. CSI monitorea el contraste de franja en lugar de la fase de las franjas. [ 2 ] : 105 La Fig.  17 ilustra un microscopio CSI que utiliza un interferómetro de Mirau en el objetivo; otras formas de interferómetro utilizadas con luz blanca incluyen el interferómetro de Michelson (para objetivos de baja magnificación, donde el espejo de referencia en un objetivo de Mirau interrumpiría demasiado la apertura) y el interferómetro de Linnik (para objetivos de alta magnificación con distancia de trabajo limitada). [ 83 ] La muestra (o alternativamente, el objetivo) se mueve verticalmente sobre todo el rango de altura de la muestra, y se encuentra la posición de máximo contraste de franja para cada píxel. [ 73 ] [ 84 ] El principal beneficio de la interferometría de escaneo de coherencia es que se pueden diseñar sistemas que no sufren la  ambigüedad de 2 pi de la interferometría coherente, [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] y como se ve en la Fig.  18, que escanea un volumen de 180 μm  x  140 μm  x  10 μm, es muy adecuada para perfilar escalones y superficies rugosas. La resolución axial del sistema está determinada en parte por la longitud de coherencia de la fuente de luz. [ 88 ] [ 89 ] Las aplicaciones industriales incluyen metrología de superficies en proceso , medición de rugosidad, metrología de superficies 3D en espacios de difícil acceso y en entornos hostiles, perfilometría de superficies con características de alta relación de aspecto (ranuras, canales, agujeros) y medición de espesor de película (industrias de semiconductores y ópticas, etc.). [ 90 ] [ 91 ]

La figura  19 ilustra un interferómetro de Twyman-Green configurado para el escaneo con luz blanca de un objeto macroscópico.

La interferometría holográfica es una técnica que utiliza la holografía para monitorizar pequeñas deformaciones en implementaciones de una sola longitud de onda. En implementaciones de múltiples longitudes de onda, se utiliza para realizar metrología dimensional de piezas y ensamblajes de gran tamaño y para detectar defectos superficiales mayores. [ 2 ] : 111–120

La interferometría holográfica se descubrió por accidente como resultado de errores cometidos durante la creación de hologramas. Los primeros láseres eran relativamente débiles y las placas fotográficas poco sensibles, lo que requería largas exposiciones durante las cuales podían producirse vibraciones o pequeños desplazamientos en el sistema óptico. Los hologramas resultantes, que mostraban el sujeto holográfico cubierto de franjas, se consideraban inservibles. [ 92 ]

Finalmente, a mediados de la década de 1960, varios grupos independientes de experimentadores se percataron de que las franjas codificaban información importante sobre los cambios dimensionales que ocurrían en el sujeto y comenzaron a producir intencionadamente exposiciones dobles holográficas. El artículo principal sobre interferometría holográfica aborda las disputas sobre la prioridad del descubrimiento que surgieron durante la concesión de la patente para este método. [ 93 ]

La holografía de doble y múltiple exposición es uno de los tres métodos utilizados para crear interferogramas holográficos. Una primera exposición registra el objeto en un estado sin tensión. Las exposiciones posteriores en la misma placa fotográfica se realizan mientras el objeto se somete a alguna tensión. La imagen compuesta muestra la diferencia entre los estados con y sin tensión. [ 94 ]

La holografía en tiempo real es un segundo método para crear interferogramas holográficos. Se crea un holograma del objeto sin tensión. Este holograma se ilumina con un haz de referencia para generar una imagen holográfica del objeto superpuesta directamente sobre el objeto original mientras este se somete a alguna tensión. Las ondas del objeto provenientes de esta imagen holográfica interferirán con nuevas ondas que emanan del objeto. Esta técnica permite la monitorización en tiempo real de los cambios de forma. [ 94 ]

El tercer método, la holografía de promedio temporal, consiste en crear un holograma mientras el objeto se somete a una tensión o vibración periódica. Esto produce una imagen visual del patrón de vibración. [ 94 ]

El radar de apertura sintética interferométrica (InSAR) es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Se toman imágenes de radar de apertura sintética satelital de una característica geográfica en días diferentes, y los cambios que se producen entre las imágenes de radar tomadas en esos días se registran como franjas similares a las obtenidas en la interferometría holográfica. La técnica permite monitorizar deformaciones a escala centimétrica y milimétrica resultantes de terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y también tiene aplicaciones en ingeniería estructural, en particular para la monitorización de la subsidencia y la estabilidad estructural. La figura  20 muestra el Kilauea, un volcán activo en Hawái. Los datos adquiridos mediante el radar de apertura sintética de banda X del transbordador espacial Endeavour el 13 de abril de 1994 y el 4 de octubre de 1994 se utilizaron para generar franjas interferométricas, que se superpusieron a la imagen X-SAR del Kilauea. [ 95 ]

La interferometría electrónica de patrones de moteado (ESPI), también conocida como holografía de TV, utiliza la detección y grabación de vídeo para producir una imagen del objeto sobre la cual se superpone un patrón de franjas que representa el desplazamiento del objeto entre grabaciones. (véase la figura  21) Las franjas son similares a las obtenidas en la interferometría holográfica. [ 2 ] : 111–120 [ 96 ]

Cuando se inventaron los láseres, el moteado láser se consideraba un grave inconveniente para su uso en la iluminación de objetos, especialmente en la imagen holográfica, debido a la imagen granulada que producían. Posteriormente se comprendió que los patrones de moteado podían contener información sobre las deformaciones de la superficie del objeto. Butters y Leendertz desarrollaron la técnica de interferometría de patrones de moteado en 1970, [ 97 ] y desde entonces, el moteado se ha utilizado en diversas aplicaciones. Se toma una fotografía del patrón de moteado antes de la deformación y una segunda fotografía del mismo patrón después de la deformación. La resta digital de ambas imágenes da como resultado un patrón de franjas de correlación, donde las franjas representan líneas de igual deformación. Se pueden utilizar pulsos láser cortos en el rango de los nanosegundos para capturar eventos transitorios muy rápidos. Existe un problema de fase: en ausencia de otra información, no se puede distinguir entre las líneas de contorno que indican un pico y las que indican un valle. Para resolver este problema de ambigüedad de fase, la ESPI se puede combinar con métodos de desplazamiento de fase. [ 98 ] [ 99 ]

Un método para establecer líneas base geodésicas precisas , inventado por Yrjö Väisälä , aprovechó la baja longitud de coherencia de la luz blanca. Inicialmente, la luz blanca se dividió en dos, y el haz de referencia se "plegó", rebotando seis veces entre un par de espejos separados con precisión 1 m. Solo si la trayectoria de prueba era exactamente 6 veces la trayectoria de referencia se observarían franjas. La aplicación repetida de este procedimiento permitió medir con precisión distancias de hasta 864 metros. Las líneas base así establecidas se utilizaron para calibrar equipos de medición de distancias geodésicas, lo que dio lugar a una escala metrológicamente trazable para las redes geodésicas medidas con estos instrumentos. [ 100 ] (Este método ha sido reemplazado por el GPS).

Otros usos de los interferómetros han sido el estudio de la dispersión de materiales, la medición de índices de refracción complejos y las propiedades térmicas. También se utilizan para el mapeo de movimiento tridimensional, incluyendo el mapeo de patrones de vibración de estructuras. [ 75 ]

Las posibles aplicaciones militares de la interferometría láser, documentadas hasta 1964, incluían "el posicionamiento de precisión en la investigación, la fabricación y el uso en campo de equipos, como la alineación de misiles o los equipos de puntería de torretas; en geodesia y cartografía, donde no se necesita un mapa con precisión de micropulgadas, pero donde el establecimiento preciso de líneas base es esencial; y en la medición remota de variaciones de temperatura en la atmósfera [...] que afectan la capacidad de visión óptica". [ 101 ]

Biología y medicina

La interferometría óptica, aplicada a la biología y la medicina, proporciona capacidades metrológicas sensibles para la medición de biomoléculas, componentes subcelulares, células y tejidos. [ 102 ] Muchas formas de biosensores sin marcadores se basan en la interferometría porque la interacción directa de los campos electromagnéticos con la polarizabilidad molecular local elimina la necesidad de marcadores fluorescentes o de nanopartículas . A mayor escala, la interferometría celular comparte aspectos con la microscopía de contraste de fase, pero comprende una clase mucho más amplia de configuraciones ópticas sensibles a la fase que se basan en la interferencia óptica entre los constituyentes celulares a través de la refracción y la difracción. A escala tisular, la propagación de luz dispersada hacia adelante parcialmente coherente a través de las microaberraciones y la heterogeneidad de la estructura tisular ofrece oportunidades para utilizar la compuerta sensible a la fase (tomografía de coherencia óptica) así como la espectroscopia de fluctuación sensible a la fase para obtener imágenes de propiedades estructurales y dinámicas sutiles.

La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica de imagen médica que utiliza interferometría de baja coherencia para proporcionar visualización tomográfica de las microestructuras internas de los tejidos. Como se observa en la Fig.  22, el núcleo de un sistema OCT típico es un interferómetro de Michelson. Un brazo del interferómetro se enfoca en la muestra de tejido y la escanea en un patrón de trama longitudinal XY. El otro brazo del interferómetro se refleja en un espejo de referencia. La luz reflejada por la muestra de tejido se combina con la luz reflejada por la referencia. Debido a la baja coherencia de la fuente de luz, la señal interferométrica se observa solo en una profundidad limitada de la muestra. Por lo tanto, el escaneo XY registra una fina sección óptica de la muestra a la vez. Al realizar múltiples escaneos, moviendo el espejo de referencia entre cada escaneo, se puede reconstruir una imagen tridimensional completa del tejido. [ 103 ] [ 104 ] Los avances recientes se han esforzado por combinar la recuperación de fase nanométrica de la interferometría coherente con la capacidad de medición de distancia de la interferometría de baja coherencia. [ 75 ]

La microscopía de contraste de fase y de contraste de interferencia diferencial (DIC) son herramientas importantes en biología y medicina. La mayoría de las células animales y los organismos unicelulares tienen muy poco color, y sus orgánulos intracelulares son casi totalmente invisibles bajo una iluminación de campo claro simple . Estas estructuras pueden hacerse visibles tiñendo las muestras, pero los procedimientos de tinción consumen mucho tiempo y matan las células. Como se ve en las Figs.  24 y  25, los microscopios de contraste de fase y DIC permiten estudiar células vivas sin teñir. [ 105 ] El DIC también tiene aplicaciones no biológicas, por ejemplo, en el análisis del procesamiento de semiconductores de silicio planar .

La interferometría de baja coherencia resuelta angularmente (a/LCI) utiliza luz dispersa para medir el tamaño de objetos subcelulares, incluidos los núcleos celulares . Esto permite combinar las mediciones de profundidad interferométricas con las mediciones de densidad. Se han encontrado diversas correlaciones entre el estado de salud del tejido y las mediciones de objetos subcelulares. Por ejemplo, se ha observado que, a medida que el tejido pasa de normal a canceroso, el tamaño promedio de los núcleos celulares aumenta. [ 106 ] [ 107 ]

La imagen de rayos X de contraste de fase (Fig.  26) se refiere a una variedad de técnicas que utilizan información de fase de un haz de rayos X coherente para obtener imágenes de tejidos blandos. (Para una discusión elemental, véase Imagen de rayos X de contraste de fase (introducción) . Para una revisión más profunda, véase Imagen de rayos X de contraste de fase ). Se ha convertido en un método importante para visualizar estructuras celulares e histológicas en una amplia gama de estudios biológicos y médicos. Hay varias tecnologías que se utilizan para la imagen de rayos X de contraste de fase, todas utilizando diferentes principios para convertir las variaciones de fase en los rayos X que emergen de un objeto en variaciones de intensidad. [ 108 ] [ 109 ] Estas incluyen contraste de fase basado en propagación, [ 110 ] interferometría de Talbot , [ 109 ] interferometría de campo lejano basada en Moiré , [ 111 ] imagen mejorada por refracción, [ 112 ] e interferometría de rayos X. [ 113 ] Estos métodos proporcionan un mayor contraste en comparación con las imágenes de rayos X de contraste de absorción convencionales, lo que permite observar detalles más pequeños. Una desventaja es que requieren equipos más sofisticados, como fuentes de rayos X de sincrotrón o de microfoco , óptica de rayos X o detectores de rayos X de alta resolución.

Véase también

Referencias

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