Interferometr Michelson je základní optické zařízení, které využívá princip interference dvou světelných paprsků k měření různých optických vlastností, jako jsou vlnová délka světla nebo index lomu materiálu. Tento interferometr se skládá ze zrcadel a beam splitteru, který rozdělí světelný paprsek na dvě části. Tyto paprsky následně putují různými optickými dráhami a po odrazech se opět setkávají a interferují. Pokud jsou optické dráhy stejné, dochází k konstruktivní interferenci, která vytváří jasné pruhy na detektoru. Při drobných změnách v optické dráze se mění vzorec interference, což umožňuje velmi přesná měření.

Pokud jsou dráhy paprsků od sebe o zlomek vlnové délky, vzniká destruktivní interference, což způsobí posun interferenčních pruhů. Tento jev lze využít k velmi citlivým měřením, kde i malé změny v optických dráhách mohou mít velký vliv na pozici pruhů na obrazovce nebo detektoru. Například, pokud se do jedné z dráh vloží skleněná deska nebo jiný materiál, dojde k posunu pruhů, což je důkazem změny v optické dráze způsobené novým materiálem.

V roce 2015 byl interferometr Michelson použit k poprvé detekování gravitačních vln, což byl historický milník v astrofyzice. Detekce byla provedena pomocí dvou identických interferometrů, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), které byly umístěny na dvou různých místech v USA, včetně Floridy a Washingtonu. Tento experiment ukázal, jak interferometr může detekovat i tak malé změny ve struktuře časoprostoru, jaké jsou způsobeny gravitačními vlnami.

Kromě těchto spektakulárních aplikací má interferometr Michelson široké využití v laboratořích a průmyslu. Při měření vlnové délky monochromatického světla se interferometr používá k přesnému stanovení této hodnoty, a to i při velmi malých posunech, jako je například posunutí zrcadla o několik mikrometrů, což může změnit vzor interference. Tento přístroj je také běžně používán při měření indexu lomu různých materiálů. Například, pokud se do jednoho ramene interferometru vloží skleněná deska, změní se tím dráha paprsku a dochází k posunu interferenčních pruhů, což umožňuje vyhodnotit index lomu daného materiálu.

Přesnost interferometrických měření je nesmírně vysoká. V případě měření indexu lomu skleněné desky s tloušťkou 2 mm, která způsobí posun o 300 pruhů, může být refrakční index materiálu spočítán s velkou přesností. Takovéto měření je nezbytné v mnoha vědeckých a technologických aplikacích, například při výrobě optických vláken nebo optických modulátorů pro komunikační systémy.

Ve stejném duchu funguje i Mach-Zehnder interferometr (MZI), který je široce využíván v optických komunikačních systémech jako modulátor. Tento interferometr je založen na dělení amplitudy světla, kde je vstupní paprsek rozdělen do dvou drah. Po odrazu se obě dráhy opět spojují a výsledný paprsek je směrován na detektor. Pokud do jedné z dráh vložíme optický komponent nebo plyn, dochází k posunu interferenčních pruhů, což může být použito k určení vlastností materiálu nebo k ovládání fáze v optických komunikacích. V některých aplikacích, jako je modulátor v optických vláknech, mění elektrické napětí refrakční index jedné z drah, čímž se mění fáze vlny a výsledné interference.

Přesnost měření v Mach-Zehnder interferometru může být využita k velmi jemnému detekování změn refrakčního indexu plynu, jak ukazuje příklad, kdy zavedení plynu do jedné z drah interferometru vede k posunu o 150 pruhů. Tento posun je přímo úměrný změně v refrakčním indexu plynu, což je možno spočítat s vysokou přesností.

Důležité je si uvědomit, že interferometrie, zejména Michelson a Mach-Zehnder interferometry, představují silný nástroj pro velmi přesná měření v oblasti optiky a fyziky. Využití těchto přístrojů se neomezuje pouze na vědecký výzkum, ale nachází široké uplatnění v průmyslu, telekomunikacích a dalších moderních technologiích, kde je kladeno velké důraz na přesnost a efektivitu měření.

Jak fungují mikro-obloukové rezonátory v optických systémech?

Mikro-obloukové rezonátory jsou optické zařízení, které využívají princip rezonantních dutin k manipulaci a filtrování světla na mikroskopické úrovni. Tento princip spočívá v odrážení světla mezi dvěma nebo více zrcadly, což umožňuje jeho zesílení. V mikro-obloukových rezonátorech je světlo vedené podél kruhového nebo prstencového vlnovodu, což vytváří rezonantní dutinu. Když je obvod tohoto prstence celočíselným násobkem vlnové délky světla, dochází ke konstruktivní interferenci, což vede k vytvoření rezonance. Tato rezonance se projevuje jako ostrý spektrální vrchol v přenosovém spektru zařízení, který lze využít k filtraci nebo modulaci světla.

Hlavní výhodou mikro-obloukových rezonátorů je jejich kompaktní velikost, obvykle na úrovni mikrometrů, což umožňuje jejich integraci s ostatními optickými a elektronickými komponentami pomocí mikrofabrikace. Tato malá velikost je klíčová pro rozvoj nových optických zařízení. Kromě toho jsou mikro-obloukové rezonátory vysoce laditelné; jejich rezonantní vlnová délka a šířka pásma závisí na geometrii zařízení a indexu lomu okolního materiálu.

Resonátory s jediným prstencem:

Při analýze směrového spojování mezi dvěma vlnovody v režimu jednovrstvých vln je třeba vzít v úvahu amplitudy elektrických polí na vstupech a výstupech. V tomto případě se lineární vztah mezi vstupními a výstupními poli vyjadřuje pomocí maticového formátu. Důležité je, že koeficienty spojení závisí na délce spojení, vzdálenosti mezi vlnovody a vlnové délce světla.

Pokud použijeme na vstupní vlnu jednorozměrnou modalitu (například Ei1 = 1), lze vztah mezi poli ve vlnovodech vyjádřit pomocí soustavy rovnic. Po připojení k prstencovému rezonátoru, jak je ukázáno v konkrétním příkladu, můžeme analyzovat fázi světla, které se šíří kolem prstence. Podmínka rezonance je splněna, když obvod prstence odpovídá celočíselnému násobku vlnové délky světla, což vede k vytvoření specifických rezonantních módů.

Rezonátor s jediným prstencem je zvláštní tím, že světlo v něm prochází celým prstencem a vytváří rezonantní režimy při splnění podmínky pro fázi, která závisí na průměru prstence a efektivním indexu lomu vlnovodu. Tento typ rezonátoru je používán v optických zařízeních, která jsou součástí fotonických obvodů, a může sloužit například jako optický filtr nebo modulátor vlnové délky.

Aplikace mikro-obloukových rezonátorů:

Mikro-obloukové rezonátory nacházejí široké využití v optických a fotonických integrovaných obvodech. Díky své malosti a vysoké laditelnosti se staly klíčovým komponentem v oblasti fotonických systémů, které mohou zahrnovat například optické přepínače, filtry nebo senzory. Lze je kombinovat s Mach-Zehnderovými interferometry, čímž vznikají vysoce funkční fotonické integrované obvody. Díky tomu se mikro-obloukové rezonátory stávají základem pro vývoj nových optických zařízení a technologií.

Jejich kladné vlastnosti, jako je kompaktní velikost, schopnost vysoké tunability a kompatibilita s mikrofabrikací, činí mikro-obloukové rezonátory ideálním základem pro vývoj nových optických zařízení a technologií, jež umožní například dosažení vysoké přesnosti při optických měřeních nebo zpracování dat v pokročilých fotonických systémech.

Důležitá fakta a pokyny pro čtenáře:

Je nezbytné si uvědomit, že rezonátory jsou navrženy tak, aby optimalizovaly šířku pásma a selektivitu filtrace v závislosti na jejich konstrukci. To zahrnuje faktory, jako jsou geometrii prstence a refrakční index použitého materiálu, které ovlivňují rezonanční vlastnosti zařízení. Kromě toho, porozumění principům rezonance a její aplikace v různých typech rezonátorů (např. Fabry-Perot, sférické zrcadlo) je klíčové pro efektivní návrh optických obvodů a systémů.

Jak efektivně využít doplňkové barvy a barevné podklady při kresbě barevnou tužkou?
Jak mohou pokročilé materiály a digitální technologie změnit budoucnost energie?
Jak produktový manažer efektivně spolupracuje s různými týmy a vyřeší problémy zákazníků
Jakým způsobem se navrhují větrné podmínky pro offshore větrné turbíny?