Interferómetro
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Se trata de aparatos ópticos o radioastronómicos que, con diversos métodos, aprovechan el fenómeno de Interferencia de las radiaciones electromagnéticas para diferentes tipos de medidas astronómicas. El interferómetro es un instrumento que emplea la interferencia de las ondas de luz para medir con gran precisión longitudes de onda de la luz misma.
Hay muchos tipos de interferómetros, en todos ellos se utilizan dos haces de luz que recorren dos trayectorias ópticas distintas, determinadas por un sistema de espejos y placas que, finalmente, convergen para formar un patrón de interferencia
Sumario
Técnicas interferometría
Una de las técnicas de interferometría, tanto óptica como radial, consiste en la observación de la propia fuente estelar con dos telescopios (o bien con dos radiotelescopios) distantes entre sí de manera que haya un desfase en las señales que llegan. A partir de este desfase, a través de una elaboración electrónica de las señales recibidas, se puede llegar a la exacta posición y al diámetro angular de una estrella, o bien, en el caso de estrellas dobles, al valor de su separación angular.
Interferómetros ópticos
Uno de los interferómetros ópticos más avanzados se encuentra en el observatorio de Narrabi, en Australia, a unos 400 km al nordeste de Sidney, y consiste en dos reflectores de 6,5 metros de diámetro, cada uno formado por 251 pequeños elementos reflectores que son conectados a distancias de hasta 200 metros el uno del otro.
En el caso de los radiotelescopios, se ha perfeccionado desde hace algunos años la interferometría sobre líneas de base muy grandes, que consiste en conectar entre sí grandes antenas parabólicas distantes millares de kilómetros. El poder resolutivo de instrumentos así unidos equivale al de una única e inmensa antena de diámetro igual a la longitud de la línea de base.
Los interferómetros usados en el laboratorio, se sirven de una única fuente real para producir dos fuentes virtuales coherentes a partir de ella.
Clasificación
Los interferómetros se clasifican en dos grupos según la forma en que producen las fuentes virtuales: división de frente de onda y división de amplitud.
En el primer caso, se usan porciones del frente de onda primario, bien sea directamente como fuentes secundarias virtuales o en combinación con otros dispositivos ópticos.
En el segundo caso, el haz primario se divide en dos haces secundarios, los cuales viajan por diferentes caminos antes de recombinarse e interferir.
Medición de la longitud de onda de la luz
Para medir la longitud de onda de un rayo de luz monocromática se utiliza un interferómetro dispuesto de tal forma que un espejo situado en la trayectoria de uno de los haces de luz puede desplazarse una distancia pequeña, que puede medirse con precisión, con lo que es posible modificar la trayectoria óptica del haz. Cuando se desplaza el espejo una distancia igual a la mitad de la longitud de onda de la luz, se produce un ciclo completo de cambios en las franjas de interferencia. La longitud de onda se calcula midiendo el número de ciclos que tienen lugar cuando se mueve el espejo una distancia determinada.
Medición de distancias
Cuando se conoce la longitud de onda de la luz empleada, pueden medirse distancias pequeñas en la trayectoria óptica analizando las interferencias producidas. Esta técnica se emplea, por ejemplo, para medir el contorno de la superficie de los espejos de los telescopios.
Medición de índices de refracción
Los índices de refracción de una sustancia también pueden medirse con un interferómetro, y se calculan a partir del desplazamiento en las franjas de interferencia causado por el retraso del haz.
El interferómetro en Astronomía
Los interferómetros son utilizados en astronomía como medio para medir el diámetro de las estrellas más grandes, detectando pequeñas diferencias en el ángulo de incidencia, y poder observar así sus diferencias de brillo.
Imagen obtenida con un interferómetro de Michelson utilizando luz láser.
En astronomía el principio del interferómetro también se emplea para medir el diámetro de estrellas grandes relativamente cercanas como, por ejemplo, Betelgeuse. Como los interferómetros modernos pueden medir ángulos extremadamente pequeños, se emplean también en este caso en estrellas gigantes cercanas para obtener imágenes de variaciones del brillo en la superficie de dichas estrellas. Recientemente ha sido posible, incluso, detectar la presencia de planetas fuera del Sistema Solar a través de la medición de pequeñas variaciones en la trayectoria de las estrellas. El principio del interferómetro se ha extendido a otras longitudes de onda y en la actualidad está generalizado su uso en radioastronomía.
El experimento de Michelson y Morley
Con el interferómetro se realizó uno de los experimentos más famosos de la historia de la física, con el cual ambos investigadores intentaron medir la velocidad de la Tierra en el supuesto éter luminífero. En dicho experimento se encontró que la velocidad de la luz en el vacío es constante, independiente del observador, lo que es uno de los postulados de la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein.
Un interferómetro es un dispositivo que utiliza franjas de interferencia para llevar a cabo medidas precisas de distancias. (En la siguiente figura se muestra un diagrama esquemático de un interferómetro de Michelson).
La luz procedente de una fuente puntual incide sobre una placa A, parcialmente plateada de forma que divide el haz reflejando una parte y transmitiendo otra. El haz reflejado viaja hasta el espejo M2 y es de nuevo reflejado hasta el ojo situado en O. El haz transmitido viaja a través de una placa compensadora B, que tiene el mismo espesor que la placa A, llega al espejo M1 y se refleja de nuevo hacia la placa A y luego al ojo en O. El objeto de la placa compensadora B es conseguir que ambos haces atraviesen el mismo espesor de vidrio. El espejo M1 es fijo, pero el espejo M2 se puede desplazar hacia delante y atrás mediante un sistema de ajustes con tornillos muy fino y exactamente calibrado. Los dos haces se combinan en O y forman un diagrama de interferencia. Este diagrama se comprende más fácilmente considerando el espejo M2 y la imagen del espejo M1 producida por el espejo del divisor del haz A. Esta imagen la designaremos por M'1 en el esquema. Si los espejos M1 y M2 están exactamente perpendiculares entre sí y equidistantes del divisor del haz, la imagen de M'1 coincidirá con M2. Si no es así, M'1 estará ligeramente desplazada y formará un pequeño ángulo con respecto a M2. El diagrama de interferencia en O será entonces el de una película delgada en forma de cuña de aire entre M'1 y M2. Si ahora se mueve el espejo M2, se desplazará el diagrama de franjas. Si se conoce la distancia que se ha movido el espejo M2, puede determinarse la longitud de onda de la luz. Otra aplicación del interferómetro es la medición del índice de refracción del aire( o de cualquier otro gas). Uno de los haces procedentes de la placa A se hace pasar a través de un recipiente en el que se puede hacer el vacío. La longitud de onda de la luz en el aire l' está relacionada con la que posee en el vacío por l'= l/n, en donde n es índice de refracción del aire. Cuando se hace el vacío en el recipiente mencionado, la longitud de onda que pasa a su través aumenta de modo que existen menos ondas en la longitud del recipiente. Esto origina un desplazamiento del diagrama de franjas. Midiendo dicho desplazamiento puede determinarse el índice de refracción.
Interferómetro de Michelson
El interferómetro de Michelson consiste básicamente en una fuente láser divergente, la cual, al encontrarse un divisor de haz, es separada en dos frentes de onda idénticos, propagándose en direcciones perpendiculares. Estos haces se reflejan en sendos espejos planos, volviéndose a recombinar tras el divisor de haz. Si los espejos estuviesen situados a la misma distancia del divisor de haz, entonces, despreciando las diferencias debidas al espesor del espejo, los haces se recombinarían en fase, y no se obtendría ningún patrón de interferencia.
Si se alejan los espejos, entonces las diferencias de camino óptico producirá franjas de interferencia, que dependerán tanto de la distancia entre los espejos como de la longitud de onda de la radiación utilizada. Por esta razón, el interferómetro se utiliza tanto para determinar distancias como para determinar longitudes de onda. La mejor forma de analizar el interferómetro de Michelson es considerar el esquema "equivalente", formado por las imágenes que de la fuente láser determinan los espejos, y alinear el sistema. Los puntos F,F' son las imágenes que el sistema óptico determina para la fuente cuando se contempla desde la pantalla, siendo d la diferencia de camino (de ida y vuelta) entre los dos brazos del interferómetro.
Si se utiliza el modelo de franjas de Haidinger, prescindiendo de la fase aditiva p, en el interferómetro de Michelson, las franjas tienen lugar cuando
k d cosq = m pÞ m =2ld cosq
donde d es la distancia aparente entre los dos espejos y m es el orden de la franja; si crece d entonces crece q para m constante (desde Origen).
Para un mismo punto de la pantalla, si se procede a mover un espejo, Dm = [ 2/(l)] cosqDd, o bien, si se introduce una caja de espesor d con un medio de índice de refracción n, entonces, para medir n se puede utilizar la fórmula
Dm =2l d cosqks Dn
El interferómetro también se utiliza para la comparación de longitudes de onda con q » 0. Para ello se varía d hasta superponer las franjas de las dos longitudes de onda y a partir de este punto, se sigue variando d hasta que se produce la próxima coincidencia, con lo que
D(2) d = N D(2l) d¢ = N +1Þ Dll=l2 Dd
En el siguiente applet se superponen los patrones de interferencia de dos haces una de cuyas longitudes de onda puede ser ajustadas con las barras superior e inferior, mientras que d puede ser ajustado con la barra derecha.
