Interferometrie
Mit Interferometrie werden alle Messmethoden bezeichnet, die die Überlagerung oder Interferenz von Wellen nutzen, um zu messende Größen zu bestimmen. Ihr sind daher alle Effekte zugänglich, die Wellen beeinflussen, und der Aufbau der erforderlichen Meßgeräte, der Interferometer, ist entsprechend vielfältig.
Grundsätzlich lässt sich mit jeder Art von Welle, seien es Licht-, Schall-, Materie- oder gar Wasserwellen, Interferenz erzeugen und somit auch Interferometrie betreiben.
Interferometer
Ein Interferometer ist ein technisches Gerät, das die Interferenzen (Überlagerungen von Wellen) für Präzisionsmessungen nutzt. Gemessen werden alle Effekte, die die effektive Weglänge der Wellen und damit Eigenschaften der überlagerten Welle ändern. Beispiele dafür sind Längenänderungen eines der beiden überlagerten Lichtwege zur Längenmessung, Änderungen des Brechungsindex zur Messung von Materialeigenschaften oder minimale Änderungen des Abstandes zwischen den Testmassen in Gravitationswellendetektoren. Die überlagerte Welle wird z.B. mit einem Schirm oder einem elektronischen Detektor beobachtet. Einsatzfelder sind die Längenmessung, die Brechungsindexmessung, die Winkelmessung und die Spektroskopie. Neben Interferometrie mit Lichtwellen gibt es auch Atominterferometer.
Interferenz bei der optischen Abbildung
Systeme, die optisch abbilden, nutzen die Interferenz der an der Eingangsöffnung eintreffenden Lichtwellen, um ein reelles oder virtuelles Bild zu erzeugen. Das gilt für eine Sammellinse, die ein Bild projiziert, ebenso wie für ein Teleskop, dessen Okular ein virtuelles Bild ferner Gegenstände zeigt. Das wahrgenommene Bild stellt in diesem Sinne ein Interferogramm dar.
Die Überlagerung der Bildinformationen mehrerer Signale räumlich getrennt stehender Einzelinstrumente durch spezielle Einrichtungen ist ein häufig angewendetes Verfahren, um das Auflösungsvermögen von Instrumenten zu steigern. Das hat zur Folge, dass kleinere Details besser oder überhaupt erst abgebildet werden können. Beispiele dafür sind die Überlagerung des Teleskoplichts des Very Large Telescope im Interferometer-Modus, die Nutzung von Interferometern in der Radioastronomie oder die weltweite, rechnerische Kombination von Radioteleskopen mit der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) oder der synthetischen Apertur im Synthetic Aperture Radar. In der Astronomie können durch das erdgebundene VLT Auflösungen erreicht werden, die mit Einzelinstrumenten im Weltraum aufgrund deren begrenzter Größe nicht möglich sind. Mit der VLBI können Radioquellen trotz weitaus größerer Wellenlängen als bei sichtbarem Licht in einer Auflösung abgebildet werden, die im sichtbaren Licht bisher nicht denkbar sind.
Voraussetzung für eine erfolgreiche Interferenz ist, dass die Wellen kohärent überlagert werden. Das bedeutet, dass die von unterschiedlichen Teilen des Interferometers kommenden Wellen nur dann interferieren können, wenn sich die Wege (Lauflängen) nur um weniger als die Kohärenzlänge unterscheiden. Die Kohärenzlänge ist abhängig von der Wellenlänge und der spektralen Bandbreite (Filterbandbreite) des verwendeten Lichtes.
Anders als in der optischen Astronomie kann man in der Radioastronomie Signale der teilnehmenden Radioteleskope mit Computern rechnerisch überlagern. Man zeichnet dazu die vollständige Welleninformation jedes teilnehmenden Teleskops, d.h. die Amplitude des Signals abhängig von der Zeit auf, die Präzision der Zeitmessung hat dabei eine besondere Bedeutung. Nur bei hinreichend präziser Zeitmessung ist die Phasenlage der Einzelsignale zueinander in den Daten enthalten, und die Interferenz kann im Computer berechnet werden. Auf diese Weise können sogar Radioteleskope auf verschiedenen Kontinenten zusammengeschaltet werden und so hochaufgelöste Bilder liefern.
Interferometertypen
Es gibt unterschiedliche Typen von Interferometern, wobei die Funktionsweise im Wesentlichen gleich ist. Mindestens zwei Lichtbündel werden mithilfe von Spiegeln oder halbdurchlässigen Platten (sogenannten Strahlteilern) durch getrennte optische Bahnen geführt, am Wegende durch zusätzliche Spiegel reflektiert und am Ende wieder zusammengeführt. Ergebnis ist ein Interferenzmuster (Interferenzstreifen oder -ringe), das durch die Lichtstrahlen als Muster beschrieben wurde. Dieses Muster wird durch die Differenz der optischen Wege bestimmt, die die einzelnen Strahlen bis zur Vereinigung zurückgelegt haben.
Zweistrahlinterferometer
- Bath-Interferometer
- Mach-Zehnder-Interferometer und sein Vorläufer Jamin-Interferometer
- Michelson-Interferometer
- Rayleigh-Interferometer
- Sagnac-Interferometer
- Weißlichtinterferometer
- Interferometric Synthetic Aperture Radar
Vielstrahlinterferometer
Weitere interferometrische Messverfahren
- Speckle-Interferometrie (siehe auch: Speckle)
- Phasenschiebeverfahren
- Intensitätsinterferometer
Anwendung
Interferometer werden in der Physik, Astronomie und Messtechnik in verschiedenen Ausführungen für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt.
Einer der bekanntesten Versuche in der Geschichte ist das Michelson-Morley-Experiment, das mithilfe eines Michelson-Interferometers nachwies, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem Bezugssystem gleich ist. Das Ergebnis dieses Experiments brachte die Äthertheorie ins Wanken und war auch eine der grundlegenden Annahmen der später von Albert Einstein aufgestellten speziellen Relativitätstheorie. Nach dem gleichen Prinzip versucht man mit einem modernen Michelson-Interferometer im Geo-600-Projekt Gravitationswellen nachzuweisen.
Heute werden Interferometer in der Astronomie in allen Wellenlängenbereichen zur Verbesserung der Auflösung eingesetzt. Mit Interferometern aus Radioteleskopen erreicht man wegen der erheblich höheren Basislänge eine etwa 500-mal höhere Winkelauflösung als im optischen Bereich. Das „Very Large Telescope“ liefert mittels Interferenz hochaufgelöste Bilder im sichtbaren Spektralbereich (siehe auch astronomische Interferometrie).
Weitere Anwendung finden Interferometer als Laser-Doppler-Vibrometer, ein Messgerät zur Messung von Schwingungen. Laserinterferometer nutzen die Interferenz zur Entfernungsmessung und Weißlichtinterferometer sowie phasenschiebendes Interferometer als Messgeräte zur Formvermessung von Werkstücken. Ein weiteres Einsatzgebiet ist das FTIR-Spektrometer, ein Messgerät für die chemische Analyse von Materialien. Zur Untersuchung von Grenzflächenvorgängen wird die Kapillarwellenspektroskopie verwendet.
Siehe auch
- Kugelinterferometer
- Laservibrometer
- Doppelspaltexperiment
- Laser Interferometer Space Antenna
- Optische Kohärenztomografie
- Low Frequency Array
- Atacama Large Millimeter/submillimeter Array
Literatur
- Parameswaran Hariharan: Basics of interferometry. Elsevier Acad. Press, Amsterdam 2007, ISBN 978-0-12-373589-8.
- W. H. Steel: Interferometry. Cambridge Univ. Pr., Cambridge 1983, ISBN 0-521-25320-9.
- Robert D. Reasenberg: Spaceborne interferometry. SPIE, Bellingham 1993, ISBN 0-8194-1183-3.
- C. Mattok: Targets for space-based interferometry. ESA Publ. Div., Noordwijk 1992, ISBN 92-9092-234-6.
Weblinks
- Interferometrie-Messung bei Lichtwellenleiter
- Dirk Lorenzen: Vier kleine Teleskope simulieren ein großes. dradio Forschung Aktuell 26. Oktober 2011.