Common-path interferometer
एक सामान्य-पथ इंटरफेरोमीटर इंटरफेरोमीटर का एक वर्ग है जिसमें संदर्भ किरण और नमूना किरण एक ही मार्ग पर यात्रा करते हैं। उदाहरणों में सैगनेक इंटरफेरोमीटर, ज़र्निक फेज-कंट्रास्ट इंटरफेरोमीटर और पॉइंट डिफ्रैक्शन इंटरफेरोमीटर शामिल हैं। माइकलसन इंटरफेरोमीटर या मैक-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर जैसे "डबल-पाथ इंटरफेरोमीटर" की तुलना में एक सामान्य-पथ इंटरफेरोमीटर आम तौर पर पर्यावरणीय कंपन के लिए अधिक मजबूत होता है। यद्यपि एक ही पथ पर यात्रा करते हुए, संदर्भ और नमूना किरणें विपरीत दिशाओं में यात्रा कर सकती हैं, या वे एक ही दिशा में यात्रा कर सकती हैं लेकिन एक ही या अलग ध्रुवीकरण के साथ। डबल-पाथ इंटरफेरोमीटर संदर्भ और नमूना भुजाओं के बीच चरण बदलाव या लंबाई परिवर्तन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं। इस वजह से, डबल-पाथ इंटरफेरोमीटर का विज्ञान और उद्योग में छोटे विस्थापन, अपवर्तक-सूचकांक परिवर्तन, सतह की अनियमितताओं और इसी तरह के माप के लिए व्यापक उपयोग पाया गया है। हालाँकि, ऐसे अनुप्रयोग हैं जिनमें संदर्भ और नमूना पथों के बीच सापेक्ष विस्थापन या अपवर्तक-सूचकांक अंतर के प्रति संवेदनशीलता वांछनीय नहीं है; वैकल्पिक रूप से, किसी अन्य गुण के माप में रुचि हो सकती है। चयनित उदाहरण सैग्नाक सैग्नाक इंटरफेरोमीटर लंबाई या लंबाई परिवर्तन को मापने के लिए पूरी तरह से अनुपयुक्त हैं। एक सैगनेक इंटरफेरोमीटर में, बीमस्प्लिटर से निकलने वाली दोनों किरणें एक साथ एक आयत के चारों ओर विपरीत दिशाओं में जाती हैं और मूल बीमस्प्लिटर पर फिर से मिलती हैं। परिणाम यह है कि एक सैगनेक इंटरफेरोमीटर, पहले क्रम में, अपने ऑप्टिकल घटकों की किसी भी गति के प्रति पूरी तरह से असंवेदनशील है। वास्तव में, सैगनेक इंटरफेरोमीटर को चरण परिवर्तनों को मापने के लिए उपयोगी बनाने के लिए, इंटरफेरोमीटर की किरणों को थोड़ा अलग किया जाना चाहिए ताकि वे अब पूरी तरह से सामान्य पथ का पालन न करें। यहां तक कि एक मामूली बीम पृथक्करण के साथ, सैगनेक इंटरफेरोमीटर उत्कृष्ट कंट्रास्ट और फ्रिंज स्थिरता प्रदान करते हैं। साग्नैक इंटरफेरोमीटर के दो बुनियादी स्थलविज्ञान संभव हैं, जो इस बात में भिन्न हैं कि प्रत्येक पथ में प्रतिबिंबों की एक सम या विषम संख्या है या नहीं। एक सैगनेक इंटरफेरोमीटर में विषम संख्या में प्रतिबिंबों के साथ, जैसे कि एक सचित्र, विपरीत रूप से यात्रा करने वाली किरणों के तरंगमुख अधिकांश प्रकाश पथ पर एक दूसरे के संबंध में पार्श्व रूप से उल्टे होते हैं, इसलिए टोपोलॉजी सख्ती से सामान्य-पथ नहीं है। साग्नैक इंटरफेरोमीटर का सबसे प्रसिद्ध उपयोग घूर्णन के प्रति इसकी संवेदनशीलता में निहित है। इंटरफेरोमीटर के इस रूप पर घूर्णन के प्रभावों के पहले विवरण 1913 में जॉर्जेस साग्नैक द्वारा प्रकाशित किए गए थे, जो गलती से मानते थे कि "ईथर के घूर्णन" का पता लगाने की उनकी क्षमता ने सापेक्षता सिद्धांत को गलत साबित कर दिया। वर्तमान में सैग्नाक इंटरफेरोमीटर की संवेदनशीलता सैग्नाक की मूल व्यवस्था से कहीं अधिक है। घूर्णन के प्रति संवेदनशीलता प्रति-घूर्णन किरणों द्वारा घेर लिए गए क्षेत्र के समानुपाती होती है, और फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप, सैगनेक इंटरफेरोमीटर के वर्तमान वंशज, दर्पण के बजाय ऑप्टिकल फाइबर के हजारों लूप का उपयोग करते हैं, जैसे कि छोटी से मध्यम आकार की इकाइयाँ भी आसानी से पृथ्वी के घूर्णन का पता लगा लेती हैं। रिंग लेजर जाइरोस्कोप (सचित्र नहीं) सैगनेक घूर्णन संवेदक का एक अन्य रूप है जिसका जड़त्वीय मार्गदर्शन प्रणालियों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं। अपने असाधारण कंट्रास्ट और फ्रिंज स्थिरता के कारण, सैगनेक विन्यास का उपयोग करने वाले इंटरफेरोमीटरों ने आइंस्टीन की विशेष सापेक्षता की खोज और बाद में सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक चुनौतियों के खिलाफ सापेक्षता की रक्षा करने वाले प्रयोगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। उदाहरण के लिए, 1887 के अपने प्रसिद्ध प्रयोग से एक साल पहले, माइकलसन और मोर्ले (1886) ने 1851 के फिज़ो प्रयोग की पुनरावृत्ति की, फिज़ो के सेटअप को इतनी उच्च स्थिरता के सम-प्रतिबिंब सैगनेक इंटरफेरोमीटर के साथ बदल दिया, कि प्रकाश पथ में एक रोशन मिलान रखने से भी कृत्रिम फ्रिंज विस्थापन नहीं हुआ। 1935 में, गुस्ताफ विल्हेम हैमर ने विशेष सापेक्षता के लिए एक सैद्धांतिक चुनौती को अस्वीकार कर दिया, जिसने एक विषम-प्रतिबिंब सैगनेक इंटरफेरोमीटर का उपयोग करते हुए माइकलसन-मॉर्ले-प्रकार के प्रयोगों के शून्य परिणामों को ईथर-खींचने की मात्र कलाकृति के रूप में समझाने का प्रयास किया। वह इस इंटरफेरोमीटर को खुले में, बिना किसी तापमान नियंत्रण के एक ऊँची पहाड़ी की चोटी पर संचालित कर सकता था, फिर भी 1/10 फ्रिंज सटीकता की रीडिंग प्राप्त कर सकता था। बिंदु विवर्तन लेंस परीक्षण और द्रव प्रवाह निदान में उपयोगी एक अन्य सामान्य-पथ इंटरफेरोमीटर बिंदु विवर्तन इंटरफेरोमीटर (पीडीआई) है, जिसका आविष्कार 1933 में लिनिक द्वारा किया गया था। संदर्भ किरण एक अर्धपारदर्शी प्लेट में एक छोटे पिनहोल से विवर्तन द्वारा उत्पन्न होती है, जो एरी डिस्क के लगभग आधे व्यास का होता है। चित्र. 1 पिनहोल पर केंद्रित एक विचलन तरंगमुख को दर्शाता है। विक्षेपित संदर्भ किरण और संचारित परीक्षण तरंग सीमा बनाने के लिए हस्तक्षेप करते हैं। पी. डी. आई. का सामान्य-पथ डिजाइन इसमें कई महत्वपूर्ण लाभ लाता है। (1) मैक-ज़ेन्डर या मिशेलसन डिजाइनों द्वारा आवश्यक दो रास्तों के बजाय केवल एक लेजर पथ की आवश्यकता होती है। यह लाभ बड़ी इंटरफेरोमेट्रिक व्यवस्थाओं में बहुत महत्वपूर्ण हो सकता है जैसे कि पवन सुरंगों में जिनमें अशांत मीडिया के माध्यम से लंबे ऑप्टिकल पथ होते हैं। (2) कॉमन-पाथ डिजाइन डबल पाथ डिजाइन की तुलना में कम ऑप्टिकल घटकों का उपयोग करता है, जो संरेखण को बहुत आसान बनाता है, साथ ही साथ लागत, आकार और वजन को कम करता है, विशेष रूप से बड़े सेटअप के लिए। (3) जबकि एक दोहरे पथ डिजाइन की सटीकता उस सटीकता पर निर्भर करती है जिसके साथ संदर्भ तत्व का पता लगाया जाता है, सावधानीपूर्वक डिजाइन पी. डी. आई. के उत्पन्न संदर्भ बीम को गारंटीकृत सटीकता के लिए सक्षम बनाता है। एक नुकसान यह है कि पिनहोल के माध्यम से प्रकाश की मात्रा इस बात पर निर्भर करती है कि प्रकाश को पिनहोल पर कितनी अच्छी तरह केंद्रित किया जा सकता है। यदि आपतित तरंग का अग्रभाग गंभीर रूप से विकृत हो जाता है, तो बहुत कम प्रकाश हो सकता है। पी. डी. आई. का उपयोग विभिन्न अनुकूली प्रकाशिकी अनुप्रयोगों में देखा गया है। पार्श्व कतरनी पार्श्व कतरनी इंटरफेरोमेट्री तरंगमुख संवेदन की एक स्व-संदर्भ विधि है। एक अलग पथ संदर्भ तरंगमुख के साथ एक तरंगमुख की तुलना करने के बजाय, पार्श्व कतरनी इंटरफेरोमेट्री स्वयं के एक स्थानांतरित संस्करण के साथ एक तरंगमुख में हस्तक्षेप करती है। नतीजतन, यह एक लहर के सामने की ढलान के प्रति संवेदनशील है, न कि लहर के सामने के आकार के प्रति। सचित्र समतल समानांतर प्लेट इंटरफेरोमीटर में परीक्षण और संदर्भ किरणों के लिए असमान पथ लंबाई होती है; इस वजह से, इसका उपयोग अत्यधिक एकवर्णी (लेजर) प्रकाश के साथ किया जाना चाहिए। इसका उपयोग आम तौर पर किसी भी सतह पर बिना किसी परत के किया जाता है, ताकि भूत के प्रतिबिंबों को कम किया जा सके। परीक्षण के तहत एक लेंस से एक विचलन तरंग सामने प्लेट के सामने और पीछे से प्रतिबिंबित होता है ताकि हस्तक्षेप पैटर्न बनाया जा सके। इस मूल डिजाइन पर भिन्नताएं दर्पणों के परीक्षण की अनुमति देती हैं। जमीन, माइकलसन, मैक-ज़ेन्डर और अन्य इंटरफेरोमीटर डिजाइनों पर आधारित पार्श्व कतरनी इंटरफेरोमीटर के अन्य रूपों में क्षतिपूर्ति पथ हैं और इनका उपयोग सफेद प्रकाश के साथ किया जा सकता है। ऑप्टिकल परीक्षण के अलावा, पार्श्व कतरनी इंटरफेरोमेट्री के अनुप्रयोगों में पतली फिल्म विश्लेषण, पारदर्शी सामग्री में द्रव्यमान और तापीय प्रसार, अपवर्तक सूचकांक और अपवर्तक सूचकांक माप का ढाल, कॉलिमेशन परीक्षण और अनुकूली प्रकाशिकी शामिल हैं। शियरिंग इंटरफेरोमीटर, एक सामान्य ढांचा जिसमें पार्श्व शियरिंग, हार्टमैन, शैक-हार्टमैन, घूर्णन शियरिंग, फोल्डिंग शियरिंग और एपर्चर मास्किंग इंटरफेरोमीटर शामिल हैं, का उपयोग औद्योगिक रूप से विकसित अधिकांश वेवफ्रंट सेंसर में किया जाता है। आधुनिक दृष्टिकोण से, यंग के डबल स्लिट प्रयोग का परिणाम (चित्र देखें। 2) स्पष्ट रूप से प्रकाश की तरंग प्रकृति की ओर इशारा करता है, लेकिन 1800 के दशक की शुरुआत में ऐसा नहीं था। आखिरकार, न्यूटन ने उन चीज़ों को देखा था जिन्हें अब विवर्तन घटनाओं के रूप में पहचाना जाता है, और उन पर प्रकाशिकी की अपनी तीसरी पुस्तक में लिखा था, जिसमें उन्होंने प्रकाश के अपने कॉर्पस्कुलर सिद्धांत के संदर्भ में उनकी व्याख्या की थी। यंग के समकालीनों ने आपत्ति जताई कि उनके परिणाम केवल दरारों के किनारों से विवर्तन प्रभावों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं, सिद्धांत रूप में उन किनारों से अलग नहीं जो न्यूटन ने पहले देखे थे। ऑगस्टिन फ्रेन्सेल, जिन्होंने तरंग सिद्धांत का समर्थन किया, ने हस्तक्षेप प्रभावों को प्रदर्शित करने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला का प्रदर्शन किया, जिन्हें केवल किनारे के विवर्तन के परिणाम के रूप में समझाया नहीं जा सकता था। इनमें से सबसे उल्लेखनीय अपवर्तन द्वारा दो आभासी हस्तक्षेप करने वाले स्रोतों को बनाने के लिए उनका द्विधर्म का उपयोग था। फ्रेन्सेल बाइप्रिज्म के एक इलेक्ट्रॉन संस्करण का उपयोग इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी में किया जाता है, एक इमेजिंग तकनीक जो किसी वस्तु के इलेक्ट्रॉन हस्तक्षेप पैटर्न को फोटोग्राफिक रूप से रिकॉर्ड करती है। होलोग्राम को तब एक लेजर द्वारा प्रकाशित किया जा सकता है जिसके परिणामस्वरूप मूल वस्तु की बहुत बड़ी छवि बनती है, हालांकि वर्तमान प्राथमिकता होलोग्राम के संख्यात्मक पुनर्निर्माण के लिए है। इस तकनीक को पारंपरिक इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में अधिक रिज़ॉल्यूशन को सक्षम करने के लिए विकसित किया गया था। पारंपरिक इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी का संकल्प इलेक्ट्रॉन तरंग दैर्ध्य द्वारा सीमित नहीं है, बल्कि इलेक्ट्रॉन लेंस के बड़े विचलन द्वारा सीमित है। चित्र. 3 एक हस्तक्षेप इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी की मूल व्यवस्था को दर्शाता है। इलेक्ट्रॉन बाइप्रिज्म में एक महीन, सकारात्मक रूप से आवेशित विद्युत फिलामेंट (आकृति में एक बिंदु के रूप में दर्शाया गया है) होता है जिसे ग्राउंड पोटेंशिअल पर दो प्लेट इलेक्ट्रोड द्वारा ब्रैकेट किया जाता है। फिलामेंट, आमतौर पर व्यास में 1 माइक्रोन से अधिक नहीं, आमतौर पर एक सोने-लेपित क्वार्ट्ज फाइबर होता है। इलेक्ट्रॉन किरण में नमूने को ऑफ-एक्सिस रखकर, विवर्तित नमूना तरंगमुख और संदर्भ तरंगमुख होलोग्राम बनाने के लिए संयुक्त होते हैं। शून्य-क्षेत्र सैग्नाक लेजर इंटरफेरोमीटर गुरुत्वाकर्षण-तरंग वेधशाला (एल. आई. जी. ओ.) में दो 4-किलोमीटर माइकलसन-फैब्री-पेरोट इंटरफेरोमीटर शामिल थे, और बीम स्प्लिटर पर लगभग 100 वाट लेजर शक्ति के शक्ति स्तर पर संचालित होते थे। वर्तमान में उन्नत एल. आई. जी. ओ. में चल रहे उन्नयन के लिए कई किलोवाट लेजर शक्ति की आवश्यकता होगी, और वैज्ञानिकों को तापीय विरूपण, लेजर की आवृत्ति भिन्नता, दर्पण विस्थापन और तापीय रूप से प्रेरित बाइरफ्रिंजेन्स का सामना करने की आवश्यकता होगी। उन्नत एल. आई. जी. ओ. से परे तीसरी पीढ़ी के संवर्द्धन के लिए विभिन्न प्रकार की प्रतिस्पर्धी ऑप्टिकल प्रणालियों की खोज की जा रही है। इन प्रतिस्पर्धी स्थलविज्ञानों में से एक शून्य-क्षेत्र सैगनेक डिजाइन रहा है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, सैगनेक इंटरफेरोमीटर, पहले क्रम में, अपने ऑप्टिकल घटकों के किसी भी स्थिर या कम आवृत्ति विस्थापन के प्रति असंवेदनशील होते हैं, और न ही लेजर या बायरेफ्रिंजेंस में मामूली आवृत्ति भिन्नता से प्रभावित होते हैं। तीसरी पीढ़ी के लिगो के लिए सैगनेक इंटरफेरोमीटर का एक शून्य-क्षेत्र संस्करण प्रस्तावित किया गया है। चित्र. 1 से पता चलता है कि कैसे विपरीत अर्थ के दो लूपों के माध्यम से प्रकाश को निर्देशित करके, शून्य का एक प्रभावी क्षेत्र प्राप्त किया जाता है। सैगनेक इंटरफेरोमीटर का यह संस्करण इसलिए खगोलीय रुचि की क्षणिक घटनाओं के प्रति उच्च संवेदनशीलता बनाए रखते हुए अपने ऑप्टिकल घटकों के घूर्णन या कम आवृत्ति बहाव के प्रति असंवेदनशील है। हालाँकि, एक ऑप्टिकल प्रणाली के चयन में कई विचार शामिल हैं, और कुछ क्षेत्रों में शून्य-क्षेत्र सैग्नाक की श्रेष्ठता के बावजूद, तीसरी पीढ़ी के एल. आई. जी. ओ. के लिए ऑप्टिकल प्रणाली का अभी तक कोई सर्वसम्मत विकल्प नहीं है। स्कैटरप्लेट ट्विमैन-ग्रीन इंटरफेरोमीटर का एक सामान्य पथ विकल्प स्कैटरप्लेट इंटरफेरोमीटर है, जिसका आविष्कार जे. एम. 1953 में खरीदा। ट्विमैन-ग्रीन इंटरफेरोमीटर, एक डबल पाथ इंटरफेरोमीटर, माइकलसन इंटरफेरोमीटर का एक प्रकार है जिसका उपयोग आमतौर पर ऑप्टिकल सतहों और लेंस की सटीकता का परीक्षण करने के लिए किया जाता है। चूंकि संदर्भ और नमूना पथ अलग-अलग हैं, इसलिए इंटरफेरोमीटर का यह रूप प्रकाश पथों में कंपन और वायुमंडलीय अशांति के प्रति बेहद संवेदनशील है, जो दोनों ऑप्टिकल माप में हस्तक्षेप करते हैं। एक प्रकाशिक सतह की परिशुद्धता माप भी सहायक प्रकाशिकी की गुणवत्ता पर अत्यधिक निर्भर करती है। क्योंकि स्कैटरप्लेट इंटरफेरोमीटर एक सामान्य-पथ इंटरफेरोमीटर है, संदर्भ और परीक्षण पथ स्वचालित रूप से मेल खाते हैं ताकि सफेद प्रकाश के साथ भी एक शून्य क्रम फ्रिंज आसानी से प्राप्त किया जा सके। यह कंपन और अशांति के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील है, और सहायक प्रकाशिकी की गुणवत्ता उतनी महत्वपूर्ण नहीं है जितनी कि ट्विमैन-ग्रीन सेटअप में है। हालांकि, फ्रिंज कंट्रास्ट कम है, और एक विशिष्ट हॉटस्पॉट स्कैटरप्लेट इंटरफेरोमीटर को विभिन्न उद्देश्यों के लिए अनुपयुक्त बना सकता है। ऑप्टिकल परीक्षण के लिए उपयोगी कई अन्य सामान्य-पथ इंटरफेरोमीटरों का वर्णन किया गया है। चित्र. 1 एक गोलाकार दर्पण का परीक्षण करने के लिए स्थापित इंटरफेरोमीटर को दिखाता है। परीक्षण के तहत दर्पण की वक्रता के केंद्र के पास एक स्कैटरप्लेट स्थापित किया जाता है। इस प्लेट में छोटे अपारदर्शी धब्बों का एक पैटर्न होता है जो प्लेट पर व्युत्क्रम समरूपता के साथ व्यवस्थित होते हैं लेकिन जो अन्यथा आकार और वितरण में यादृच्छिक होते हैं। (1) प्रकाश का एक निश्चित अंश सीधे स्कैटरप्लेट के माध्यम से गुजरता है, दर्पण द्वारा परावर्तित होता है, लेकिन फिर दूसरी बार स्कैटरप्लेट का सामना करते हुए बिखरा होता है। यह सीधा बिखरा हुआ प्रकाश संदर्भ किरण बनाता है। (2) प्रकाश का एक निश्चित अंश बिखरा हुआ होता है क्योंकि यह स्कैटरप्लेट से गुजरता है, दर्पण द्वारा परावर्तित होता है, लेकिन फिर सीधे स्कैटरप्लेट से गुजरता है क्योंकि यह दूसरी बार स्कैटरप्लेट का सामना करता है। यह बिखरा हुआ-प्रत्यक्ष प्रकाश परीक्षण किरण बनाता है, जो हस्तक्षेप किनारे बनाने के लिए संदर्भ किरण के साथ जुड़ता है। (3) प्रकाश का एक निश्चित अंश अपने दोनों मुठभेड़ों पर स्कैटरप्लेट के माध्यम से सीधे गुजरता है। यह प्रत्यक्ष प्रकाश एक छोटा, अवांछनीय हॉटस्पॉट उत्पन्न करता है। (4) प्रकाश का एक निश्चित अंश स्कैटरप्लेट के साथ दोनों मुठभेड़ों पर बिखरा हुआ है। यह बिखरा-बिखरा प्रकाश हस्तक्षेप पैटर्न के समग्र विपरीतता को कम करता है। बाथ इंटरफेरोमीटर द बाथ इंटरफेरोमीटर (चित्र। 4) दूरबीन दर्पणों का परीक्षण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। इसमें आमतौर पर एक बीम स्प्लिटर, एक ऑप्टिकल फ्लैट, छोटी फोकल लंबाई का एक बाइकोनवेक्स डाइवर्जर और अर्धचालक लेजर जैसे प्रकाश स्रोत होते हैं। अन्य विन्यास साहित्य में अन्य सामान्य-पथ इंटरफेरोमीटर विन्यासों का वर्णन किया गया है, जैसे कि डबल-फोकस इंटरफेरोमीटर और सॉन्डर्स प्रिज्म इंटरफेरोमीटर, और कई अन्य। कॉमन-पाथ इंटरफेरोमीटर ऑप्टिकल कोहेरेन्स टोमोग्राफी, डिजिटल होलोग्राफी और चरण विलंब के माप सहित विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोगी साबित हुए हैं। पर्यावरणीय कंपन के लिए उनका सापेक्ष लचीलापन एक सामान्य उत्कृष्ट विशेषता है, और उनका उपयोग कभी-कभी तब किया जा सकता है जब कोई संदर्भ किरण उपलब्ध न हो; हालाँकि, उनकी टोपोलॉजी के आधार पर, उनके हस्तक्षेप पैटर्न की व्याख्या करने के लिए दोहरे पथ इंटरफेरोमीटर द्वारा उत्पन्न की तुलना में अधिक जटिल हो सकते हैं। डबल-पाथ इंटरफेरोमीटर संदर्भ इंटरफेरोमीटर भी देखें।