مقياس التداخل ماخ زيندر

لفهم كيفية عمل مقياس التداخل ماخ زيندر، يتم أولاً تقسيم شعاع الضوء إلى جزأين بواسطة جهاز إرسال الحزم ثم يتم إعادة تجميعه بواسطة جهاز إرسال أشعة آخر، واعتمادًا على المرحلة النسبية التي اكتسبتها الحزمة على طول المسارين سيعكس جهاز الحزم الثاني الحزمة بكفاءة تتراوح بين 0 و 100٪.

ما هو مقياس التداخل ماخ زيندر

مقياس التداخل ماخ زيندر هو جهاز يستعمل لمعرفة الاختلافات النسبية في إزاحة الطور بين حزمتين متوازيتين مشتقتين من فصل الضوء من مصدر واحد، إذ تم استخدام مقياس التداخل من بين أشياء أخرى لقياس انزياحات الطور بين الحزمتين الناتجة عن عينة أو تغيير في طول أحد المسارين.

وتمت تسمية الجهاز على اسم الفيزيائيين لودفيج ماخ ولودفيج زيندر، إذ تم تنقيح اقتراح زيندر في عام 1891 بواسطة ماخ، كما تم عرض مظاهرات قياس التداخل ماخ زيندر مع جسيمات أخرى غير فوتونات جسيمات الضوء في تجارب متعددة.

تصميم مقياس تداخل ماخ زيندر

في هذا الشكل يتم استخدام مقياس التداخل ماخ زيندر بشكل دائم في مجالات الديناميكا الهوائية وفيزياء البلازما ونقل الحرارة لمعرفة مقدار تغيرات الضغط والكثافة ودرجة الحرارة في الغازات، فعند تخيل تحليل لهب الشمعة، قد يتم رصد أي من الصورتين الناتج.

أدى تعدد استخدامات تكوين ماخ زيندر إلى استخدامه في مجموعة واسعة من موضوعات البحث الأساسية في ميكانيكا الكم بما في ذلك الدراسات حول الدقة المضادة والتشابك الكمومي والحساب الكمي والتشفير الكمومي والمنطق الكمي واختبار قنبلة إليتزور-فيدمان، وتجربة الممحاة الكمومية وتأثير زينو الكمومي وانحراف النيوترون، وفي الاتصالات الضوئية، ويتم استخدامه كمعدّل كهربائي بصري لتعديل الطور والسعة للضوء.

في الشكل الثاني تنشأ الأطراف الموضعية عند استعمال مصدر ممتد في مقياس التداخل ماخ زيندر من خلال ضبط المرايا ومقسمات الأشعة بشكل مناسب، حيث يمكن توطين الحواف في أي مستوى مرغوب، إن مقياس تداخل فحص ماخ زيندر هو أداة قابلة للتكوين بدرجة عالية على عكس مقياس التداخل المعروف بميكلسون، ويتم اجتياز كل مسار من مسارات الضوء المفصولة جيدًا مرة واحدة فقط.

إذا كان للمصدر طول تماسك منخفض، فيجب توخي الحذر الشديد لموازنة المسارين البصريين، حيث يتطلب الضوء الأبيض على وجه الخصوص أن تكون المسارات الضوئية معادلة في نفس الوقت على جميع الأطوال الموجية، أو لن تكون هناك أطراف مرئية ما لم يتم استخدام مرشح أحادي اللون لعزل طول موجي واحد.

وكما هو موضح في الشكل الأول يتم وضع خلية تعويضية مصنوعة من نفس نوع الزجاج مثل خلية الاختبار، بحيث يكون لها تشتت بصري متساوٍ في مسار الحزمة المرجعية لتتناسب مع خلية الاختبار، أيضًا الاتجاه الدقيق لمقسمات الحزمة، حيث سيتم توجيه الأسطح العاكسة لمقسمات الحزمة بحيث يمر الاختبار والحزم المرجعية من خلال كمية متساوية من الزجاج.

وفي هذا الاتجاه يتعرض كل من حزم الاختبار والمرجعية لانعكاسين على السطح الأمامي؛ مما يؤدي إلى نفس عدد انقلابات الطور، والنتيجة هي أن الضوء ينتقل عبر طول مسار بصري متساوٍ في كل من الحزم المرجعية والاختبار مما يؤدي إلى تداخل بناء.

تؤدي المصادر الموازية إلى نمط هامش غير محلي، حيث تنتج الحواف المترجمة عند استخدام مصدر ممتد، ففي الشكل الثاني مكن ضبط الحواف بحيث يتم توطينها في أي مستوى مرغوب، وفي معظم الحالات يتم ضبط الحواف لتوضع في نفس المستوى مثل كائن الاختبار بحيث يمكن تصوير الهوامش وكائن الاختبار معًا.

كيفية قياس تداخل ماخ زيندر

• يتم تقسيم الشعاع الموازي بواسطة مرآة نصف فضية تنعكس الشعاعتان الناتجتان، وهما شعاع العينة والحزمة المرجعية بواسطة مرآة، ثم يمر الشعاعان بمرآة ثانية نصف فضية ويدخلان كاشفين، وتشير معادلات فرينل الخاصة بانعكاس الموجة ونقلها عند عازل كهربائي إلى وجود تغيير طور للانعكاس.

• عندما تنعكس موجة تنتشر في وسط معامل انكسار منخفض من وسط معامل انكسار أعلى، ولكن ليس في الحالة المعاكسة يحدث انزياح الطور بمقدار 180 درجة عند الانعكاس من مقدمة المرآة؛ لأن الوسط الموجود خلف المرآة له معامل انكسار أعلى من الوسط الذي ينتقل فيه الضوء لا يوجد تحول طور يصاحب انعكاس السطح الخلفي؛ لأن الوسط الموجود خلف المرآة له معامل انكسار أقل من الوسط الذي ينتقل فيه الضوء أو الزجاج.

• تكون سرعة الضوء أقل في الوسائط مع مؤشر انكسار أكبر من الفراغ وهو 1، وعلى وجه التحديد سرعته هي، v = c / n، حيث (c) هي سرعة الضوء في الفراغ و (n) هي سرعة الضوء في الفراغ، إذ يؤدي هذا إلى زيادة إزاحة الطور بما يتناسب مع ( ن – 1) × الطول المقطوع، فإذا كان k هو انزياح الطور الثابت الناتج عن المرور عبر لوح زجاجي توجد عليه مرآة يحدث إجمالي 2 k انزياح طور عند الانعكاس من مؤخرة المرآة.

• هذا لأن الضوء الذي ينتقل نحو مؤخرة المرآة سيدخل إلى اللوحة الزجاجية متحملاً (k) مرحلة التحول، ثم الانعكاس من المرآة بدون تغيير طور إضافي، حيث أن الهواء فقط هو الآن خلف المرآة، ثم يسافر مرة أخرى عبر اللوحة الزجاجية، مما يؤدي إلى حدوث تحول k إضافي في الطور.

• تنطبق القاعدة المتعلقة بانزياحات الطور على مقسمات الحزم المبنية بطبقة عازلة للكهرباء ويجب تعديلها إذا تم استخدام طلاء معدني أو عند أخذ استقطابات مختلفة في الاعتبار، أيضًا في مقاييس التداخل الحقيقية قد تختلف سماكة مقسمات الحزم، ولا تكون أطوال المسار متساوية بالضرورة.

• وبغض النظر، في حالة عدم وجود امتصاص يضمن الحفاظ على الطاقة أن المسارين يجب أن يختلفا عن طريق إزاحة طور نصف طول الموجة، حيث أن مقسمات الأشعة التي ليست 50/50 تستخدم بشكل متكرر لتحسين أداء مقياس التداخل في أنواع معينة من القياس.

في هذا الشكل في حالة عدم وجود عينة ستصل حزمة العينة (SB) والحزمة المرجعية (RB) في الطور عند الكاشف 1، مما يؤدي إلى حدوث تداخل بناء، حيث سيخضع كل من (SB) و (RB) إلى تحول طور (1 × الطول الموجي + k ) بسبب انعكاسين من السطح الأمامي وناقل واحد عبر لوح زجاجي.

وفي الكاشف 2 في حالة عدم وجود عينة، ستصل حزمة العينة والحزمة المرجعية بفارق طور يبلغ نصف طول الموجة، مما ينتج عنه تداخل مدمر كامل، إذ سيكون (RB) الذي يصل إلى الكاشف 2 قد خضع لإزاحة طور (0.5 × طول موجي + 2 ك )؛ بسبب انعكاس سطح أمامي واثنين من عمليات النقل.

وسيذهب (SB) الذي يصل إلى الكاشف الثاني إلى (1 × الطول الموجي + 2 كيلو) تحول الطور؛ بسبب انعكاسين أماميين وانعكاس للسطح الخلفي وناقلان، لذلك في حالة عدم وجود عينة يتلقى الكاشف 1 الضوء فقط، وإذا تم وضع عينة في مسار حزمة العينة فإن شدة الحزمة التي تدخل الكاشفين ستتغير، مما يسمح بحساب انزياح الطور الذي تسببه العينة.

استخدامات مقياس تداخل ماخ زيندر

مساحة عمل مقياس التداخل ماخ زيندر عملاقة وهي سهلة ومجانية، ومرونتها في معرفة موقع الأطراف وهذا ما جعل مقياس التداخل الأفضل لتصور التدفق في أنفاق الرياح، ودراسات تصور التدفق بشكل عام، حيث أنه كثيرا ما يستعمل في مجالات الديناميكا الهوائية وفيزياء البلازما ونقل الحرارة لقياس الضغط والكثافة وتغيرات درجات الحرارة في الغازات.

تُستخدم مقاييس التداخل ماخ زيندر في المُعدِّلات الكهروضوئية، وهي الأجهزة الإلكترونية المستخدمة في تطبيقات اتصالات الألياف الضوئية المختلفة، حيث تم دمج مُعدِّلات ماخ زيندر في دوائر متكاملة متجانسة وتوفر سعة كهربية ضوئية حسنة التصرف وعالية النطاق واستجابات طورية على مدى تردد متعدد الجيجا هيرتز.

تُستعمل مقاييس التداخل ماخ زيندر أيضًا للبحث عن واحدة من أكثر التنبؤات غير المعروفة لميكانيكا الكم، وهي الظاهرة المعروفة باسم التشابك الكمومي.

إن إمكانية التحكم بسهولة في ميزات الضوء في القناة المرجعية دون إزعاج الضوء في قناة الكائن شاع تكوين ماخ زيندر في قياس التداخل الهولوغرافي، على وجه الخصوص يضمن الكشف عن التغاير البصري مع شعاع مرجعي خارج المحور ومغير التردد ظروفًا تجريبية جيدة للتصوير الهولوغرافي المحدود بالضوضاء مع كاميرات معدل الفيديو وقياس الاهتزاز وتصوير دوبلر بالليزر لتدفق الدم.