Интерферо́метры, приборы, действие которых основано на явлении интерференции волн. В соответствии с природой волн существуют атомный интерферометр, акустический интерферометр и интерферометры для электромагнитных волн. К последним относятся оптический интерферометр и радиоинтерферометр. Ниже рассмотрены оптические интерферометры, которые получили наибольшее распространение как приборы для измерения длин волн спектральных линий и их структуры; для измерения показателей преломления прозрачных сред; в метрологии для абсолютных и относительных измерений длин и перемещений тел; для измерения угловых размеров звёзд (звёздный интерферометр); для контроля формы, микрорельефа и деформации поверхностей оптических деталей и др.

Применение интерферометров в одночастотных лазерах позволило существенно улучшить и автоматизировать технику интерферометрических измерений, повысить точность измерения. В лазерных интерферометрах производится фотоэлектрическая регистрация разности хода, выраженной непосредственно в длинах волн. Созданы голографические интерферометры, позволяющие регистрировать небольшие изменения формы поверхности или предмета, возникающие в результате тех или иных деформаций.

В основе работы интерферометра лежит пространственное разделение пучка света с помощью какого-либо устройства для получения двух или более взаимно когерентных лучей, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе, и наблюдается результат их интерференции. Вид интерференционной картины зависит от способа разделения пучка света на взаимно когерентные лучи, от их числа, их относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Многолучевые интерферометры используются главным образом как спектрометры высокого разрешения для исследования тонкой структуры спектральных линий, а двухлучевые интерферометры являются в основном техническими приборами, в частности, они составляют важную часть приборного парка, обеспечивающего диагностический контроль качества разных типов поверхностей.

Двухлучевые интерферометры

Если один луч проходит геометрический путь $l_1$ в среде с показателем преломления $n_1,$ а другой – путь $l_2$ в среде с показателем преломления $n_2,$ то оптическая разность хода лучей $Δ = l_1 n_1 – l_2 n_2 + δ$ определяет результат интерференции. Здесь $δ$ – изменение фазы на границах раздела сред. Интенсивность света $I$ в данной точке образующейся интерференционной картины при равных амплитудах $A$ интерферирующих лучей и $l_1 = l_2 = l$ определяется выражением: $I = 4A^2 \cos ^2(πΔ/l).$ При $Δ = mλ$ ($m$ = 0, ±1, ±2, … – порядок интерференции) интенсивность имеет максимальное значение – максимум интерференционной полосы. Различным $m$ соответствуют полосы разного порядка. Изменение любой из величин $l,$ $n$ или $λ$ приводит к смещению интерференционных полос. Измеряя величину смещения полос при постоянных $l$ и $λ,$ определяют изменение $n$, например, интерференционными рефрактометрами Рэлея или Жамена. Если известны $λ$ и $n,$ то по смещению полос можно измерить геометрические длины, для чего служат интерференционные компараторы. Т. к. интерференционная картина смещается заметно даже при небольших (порядка $0,1 \lambda)$ изменениях разности хода $\Delta ,$ точность измерения с помощью интерферометра очень высока (поскольку $λ ≈ 0,5$ мкм).

При использовании источника монохроматического света в поле зрения интерферометра наблюдается большое число светлых и тёмных интерференционных полос различных порядков. Если в интерферометре используют источник белого света (например, лампу накаливания), то в поле зрения наблюдается лишь небольшое число (8–10) цветных полос низкого порядка.

Методы, с помощью которых в интерферометре могут быть получены когерентные пучки, весьма разнообразны, и потому существует большое число различных конструкций интерферометров, обычно приспособленных к измерению какой-либо одной величины ($l,$ $n$ или $\lambda ).$ По методу получения когерентных пучков интерферометры делятся на два типа. В одном из них когерентные пучки получаются в результате отражения от двух поверхностей плоскопараллельной или клиновидной пластинки. В интерферометрах другого типа происходит интерференция лучей, вышедших из источника под углом друг к другу. К первому типу относятся интерферометр Жамена, интерферометр Физо, интерферометр Майкельсона и др., ко второму – интерферометр Рэлея и др.

Интерферометр Жамена, предназначен для измерения показателей преломления жидкостей и газов, а также для определения концентрации примесей в воздухе, т. к. $n$ зависит от природы газа. С помощью интерферометра Рэлея достигается весьма высокая точность измерений показателя преломления; он применяется для обнаружения малых примесей в воздухе, в воде, для анализа рудничного и печного газов и других целей.

Интерферометр Физо позволяет осуществлять контроль точности изготовления плоских поверхностей оптических деталей. Для контроля поверхностей часто используются бесконтактные интерферометры, построенные по схеме интерферометра Майкельсона. Интерферометр Майкельсона позволяет осуществлять различные виды интерференции, широко используется в физических исследованиях и в различных технических измерительных приборах для измерения длин, смещений, для исследования качества оптических деталей, систем и т. п. Модернизованный интерферометр Майкельсона, в котором одно из плоских зеркал заменено сферическим, позволяет проводить контроль качества сферических (выпуклых или вогнутых) зеркал и качества объективов.

Рис. 1. Схематическое изображение (план и боковая проекция) исходного и сдвинутого волновых фронтов с круглой апертурой. Интерференционные полосы возникают в их общей перекрывающейся области.Рис. 1. Схематическое изображение (план и боковая проекция) исходного и сдвинутого волновых фронтов с круглой апертурой. Интерференционные полосы возникают в их общей перекрывающейся области.В некоторых случаях двухлучевые интерферометры используются в качестве сдвиговых интерферометров, позволяющих получить информацию об искажении волнового фронта светового пучка. Эта информация, в свою очередь, даёт возможность определить характеристики среды и оптических элементов, через которые проходит пучок. Наибольшее распространение получили интерферометры поперечного сдвига. Для пояснения принципа их работы считают, что исследуемый волновой фронт является почти плоским, с небольшими отклонениями $W(x,y)$ (рис. 1) от плоскости $(x,y$ – координаты произвольной точки $P).$ При смещении фронта на величину $S$ в направлении $x$ его погрешность в точке $P$ составит $W(x-S,y),$ а результирующая разность хода $ΔW$ для двух фронтов определится как $W(x,y) -W(x-S,y).$ Разность хода в различных точках волнового фронта $ΔW = mλΔW = mλ,$ где $m$ – порядок интерференционной полосы. Интерферометр поперечного сдвига даёт информацию об отклонении луча в угловых единицах.

Рис. 2. Интерферометр Маха – Цендера.Рис. 2. Интерферометр Маха – Цендера.Для работы в сдвиговом режиме можно использовать интерферометр Маха – Цендера, состоящий обычно из двух светоделителей (1, 3) и двух плоских зеркал (2, 4) (рис. 2, а). Для этого в плечи интерферометра вводят плоскопараллельные пластины (5, 6), изготовленные из одного материала и имеющие одинаковую толщину (рис. 2, б). Меняя наклон плоскопараллельных пластин, можно менять величину поперечного сдвига пучков на выходе интерферометра.

Многолучевые интерферометры

Самым известным многолучевым интерферометром является интерферометр Фабри – Перо, который разлагает сложное излучение в спектр и применяется как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы, зависящей от коэффициента отражения зеркал и от расстояния между ними и возрастающей с их увеличением.

Кроме интерферометров, основанных на стационарной интерференции, существуют интерферометры на базе лазерных устройств – многолучевые лазерные интерферометры, использующие нестационарную интерференционную картину. Так, для измерения небольших перемещений и длин деталей применяется интерферометр, действие которого основано на зависимости разностной частоты излучения между соседними продольными модами лазера $f = c/2L$ от длины резонатора $L$ ($c$ – скорость света). По изменению разностной частоты $Δf,$ происходящему при перемещении одного из зеркал резонатора, измеряют величину этого перемещения $ΔL = 2L^2Δf/c.$ Преимуществом таких интерферометров является то, что измерение линейных размеров (и перемещений) сводится к определению частоты, которую можно измерить радиотехническими методами с высокой степенью точности.

К триумфу прецизионных интерферометрических измерений следует отнести регистрацию международными гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и Virgo гравитационных волн с помощью лазерного интерферометра с многокилометровой базой. Измерение характеристик гравитационных волн на таком интерферометре позволило зарегистрировать фундаментальное космическое явление – слияние чёрных дыр.

Успехи интерферометрии позволили обосновать существование высокочастотных гравитационных волн, вызванных флуктуациями плотности тёмной материи в нашей Галактике. Указанные флуктуации метрики пространства-времени могут быть зарегистрированы с помощью интерферометра Фабри – Перо, настроенного на регистрацию сигналов в частотном диапазоне 10⁴–10⁷ Гц.

Возможности оптической интерферометрии существенно расширились после внедрения в качестве элементной базы интерферометров волоконно-оптических устройств. В настоящее время почти все интерферометры, использующие открытые каналы распространения излучения, имеют оптико-волоконные аналоги. Их большая оптическая база при высокой компактности обеспечивает высокую чувствительность и надёжные эксплуатационные свойства.

Бурное развитие микро- и нанотехнологий привело к созданию соответствующей отрасли метрологии, связанной с их обеспечением. Сфера её деятельности включает измерения как физических характеристик микро- и нанообъектов, так и сверхмалых линейных и угловых перемещений. В этой связи представляют интерес работы в области квантовой интерферометрии. Одним из наиболее интересных направлений в квантовой интерферометрии является использование в качестве измерительного преобразователя линейного лазера с двумя ортогонально поляризованными модами. В таких квантовых интерферометрах возможно достижение рекордной чувствительности при прямых измерениях фазовой анизотропии. Так, при использовании $\text{He-Ne}$ лазера моноблочной конструкции была реализована пороговая чувствительность $\sim 2·10–9 · λ/2$. Это позволило обнаружить и изучить квадратичный магнитооптический и термооптический эффекты, измерить константы Керра в парах и газах.

Все рассмотренные выше интерферометры относятся к классу амплитудных. В них сначала формируется интерференционная картина, а затем регистрируется распределение интенсивности (в пространстве или во времени) для определения изменений в структуре интерференции, происходящих в процессе измерений.

Наряду с амплитудными интерферометрами для определения характеристик когерентности световых пучков используются также интерферометры интенсивности. В них интерференционная картина не наблюдается, а необходимую информацию получают, измеряя корреляцию интенсивностей, регистрируемых двумя пространственно разнесёнными приёмниками излучения.