Giới thiệu về giao thoa kế

Giao thoa kế là một thiết bị quang học sử dụng hiện tượng giao thoa của sóng ánh sáng. Nó có thể là các loại bức xạ khác nhau, nhưng trong phạm vi bài viết này tôi sẽ tập trung cụ thể vào Giao thoa kế sử dụng ánh sáng.

Thông thường, thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc: bắt đầu với một chùm tia sáng đầu vào, sau đó tách nó thành hai chùm riêng biệt bằng “gương tách chùm tia” (VD: gương bán phản xạ), cho một trong hai chùm tia này đi qua môi trường ngoài để tác động (VD: thay đổi độ dài hoặc thay đổi chiết suất trong một môi trường trong suốt), cuối cùng giao thoa chúng bởi (các) gương tách chùm tia khác. Năng lượng hoặc hình dạng không gian của chùm tia giao thoa sẽ được sử dụng cho các ứng dụng đo lường. Cụ thể, khi hai chùm tia (sóng ánh sáng) có cùng bước sóng và độ lệch pha ổn định giao thoa với nhau, sẽ tạo ra các vân sáng tối xen kẽ gọi là các vân giao thoa. Vị trí của các vân giao thoa phụ thuộc vào độ lệch pha giữa hai sóng ánh sáng, từ đó có thể xác định được các đại lượng vật lý như khoảng cách, bước sóng, chiết suất…

Giao thoa kế thường được chế tạo từ các thành phần quang học chất lượng cao. Ví dụ, người ta thường sử dụng gương và gương phẳng với độ phẳng bề mặt cao.

Các loại giao thoa kế

Giao thoa kế Mach-Zehnder

Được phát triển bởi hai nhà vật lý: Ludwig Mach và Ludwig Zehnder, giao thoa kế này sử dụng hai gương tách chùm tia (BS) riêng biệt để tách và tái hợp các chùm tia, đồng thời có hai đầu ra có thể được gửi tới các bộ phận dò ảnh (detector). Quang lộ trong hai nhánh đi của hai chùm tia có thể gần bằng nhau (như trong hình) hoặc khác nhau (ví dụ như với một đường trễ bổ sung). Sự phân bố công suất quang tại hai đầu ra phụ thuộc vào chính xác sự chênh lệch quang lộ và bước sóng (hoặc tần số quang).

Trong trường hợp giao thoa kế Mach-Zehnder được căn chỉnh tốt, chênh lệch đường đi của hai tia sáng có thể được điều chỉnh (ví dụ như bằng cách dịch chuyển nhẹ một trong các gương) để toàn bộ công suất đi vào một trong hai đầu ra. Ngược lại, với các chùm tia không được căn chỉnh đúng (ví dụ như một gương bị nghiêng nhẹ), sẽ có các mẫu vân giao thoa ở cả hai đầu ra và sự thay đổi của chênh lệch quang lộ chủ yếu ảnh hưởng đến hình dạng của các mẫu giao thoa này, trong khi phân bố tổng công suất trên các đầu ra có thể không thay đổi đáng kể.

Giao thoa kế Michelson

Giao thoa kế Michelson do Albert Abraham Michelson phát minh, sử dụng một gương tách chùm duy nhất để tách và tái hợp các chùm tia. Nếu hai gương được căn chỉnh để có góc tới vuông góc chính xác (như hình 2) thì chỉ có một đầu ra khả dụng và ánh sáng của đầu ra còn lại quay trở lại nguồn sáng. Nếu phản hồi quang học đó là không mong muốn (như thường xảy ra với tia laser, có thể bị mất ổn định) và cần truy cập vào chùm tia đầu ra thứ hai, thì việc giao thoa các chùm tia có thể xảy ra ở một vị trí hơi khác trên gương tách chùm. Một khả năng khác là sử dụng vật phản xạ ngược (như thể hiện trong hình phía dưới).

Nếu hiệu quang lộ khác 0, như được thể hiện trong cả hai phần của hình, thì sự giao thoa tăng cường hoặc triệt tiêu, ví dụ như đối với đầu ra hướng xuống, chỉ có thể đạt được trong một phạm vi độ rộng đường truyền quang hữu hạn. Michelson ban đầu đã sử dụng một nguồn sáng rộng trong thí nghiệm Michelson-Morley nổi tiếng, do đó ông phải chế tạo một giao thoa kế với chênh lệch độ dài đường đi gần bằng 0.

Giao thoa kế Michelson có nhiều biến thể. Ví dụ, giao thoa kế Twyman-Green về cơ bản là một giao thoa kế Michelson với các chùm tia mở rộng ở hai nhánh. Nó được sử dụng để đánh giá các thành phần quang học.

Để biết thêm chi tiết, vui lòng tham khảo thêm các bài viết chi tiết về giao thoa kế Michelson và giao thoa Twyman-Green.

Giao thoa kế Fabry – Pérot

Một giao thoa kế Fabry–Pérot (Hình 3) bao gồm hai gương đặt song song, cho phép ánh sáng truyền đi truyền lại nhiều vòng (Phiên bản nguyên khối của giao thoa kế này có thể là một tấm kính có lớp phủ phản chiếu ở cả hai mặt). Thiết bị này có thể có độ cộng hưởng rất sắc nét (finesse cao-độ phân giải cao) đối với gương có độ phản xạ cao, tức là chỉ thể hiện độ truyền qua cao đối với các tần số quang gần giống với các giá trị nhất định. Dựa trên các đặc điểm sắc nét này, khoảng cách (hoặc sự thay đổi khoảng cách) có thể được đo với độ phân giải tốt hơn nhiều so với bước sóng.

Một phiên bản sửa đổi của giao thoa kế Fabry – Pérot là giao thoa kế Fizeau, được sử dụng để mô tả các bề mặt quang học.

Ngoài ra còn có một loại đặc biệt khác, được sử dụng để bù sự tán sắc, là giao thoa kế Gires–Tournois.

Để biết thêm chi tiết, xem bài viết về giao thoa kế Fabry–Pérot.

Giao thoa kế Sagnac

Được đặt theo tên nhà vật lý người Pháp Georges Sagnac, sử dụng các chùm tia ngược chiều trong một đường đi dạng vòng, được thực hiện bằng nhiều gương (như trong hình) hoặc bằng sợi quang. Nếu toàn bộ giao thoa kế bị quay, ví dụ như quanh một trục vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, thì điều này sẽ gây ra sự dịch pha tương đối của các chùm tia ngược chiều (gọi là hiệu ứng Sagnac). Độ nhạy đối với các phép quay phụ thuộc vào diện tích bao phủ bởi vòng, nhân với số lần đi tới lui của các chùm tia (có thể là con số lớn khi sử dụng nhiều cuộn dây trong sợi quang). Do đó, có thể đạt được độ nhạy đủ để đo sự quay của Trái Đất quanh trục của nó.

Giao thoa kế Sagnac thường được ứng dụng với hệ thộng dẫn đường bằng quán tính.

Nguyên lý vật lý của Giao thoa kế

Có rất nhiều các nguyên lý sử dụng giao thoa kế khác nhau. Ví dụ loại giao thoa kế Michelson được sử dụng theo những cách rất khác nhau, bằng cách thay đổi loại nguồn sáng hay gương tách chùm tia khác nhau:

• Khi sử dụng nguồn sáng có băng thông quang học thấp (có thể là laser băng thông hẹp), tín hiệu đầu ra của bộ dò sẽ thay đổi theo chu kỳ khi hiệu quang lộ thay đổi. Tín hiệu này cho phép thực hiện các phép đo với độ phân giải sâu hơn nhiều so với bước sóng, nhưng có thể dẫn đến sự nhầm lẫn. Ví dụ, việc tăng hoặc giảm quang lộ sẽ dẫn đến thay đổi giống nhau của tín hiệu dò được. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách điều chế hiệu quang lộ, ví dụ như bằng gương rung (hoặc bằng bộ điều chế quang học) và theo dõi sự điều chế kết quả trên bộ dò ngoài công suất tín hiệu trung bình. Hoạt động đồng thời của giao thoa kế với hai bước sóng là một cách khác để loại bỏ sự nhầm lẫn.
• Nếu detector là một loại camera (ví dụ: chip CCD) và các bề mặt được theo dõi tương đối phẳng, có thể tái tạo cấu hình pha (và do đó là cấu hình quang lộ) bằng cách ghi lại nhiều hình ảnh với các dịch pha tổng thể khác nhau (giao thoa pha). Một thuật toán “phase-unwrapping” có thể được sử dụng để tái tạo một cách rõ ràng các bản đồ bề mặt trải dài hơn một bước sóng. Tuy nhiên, các phương pháp như vậy có thể không hiệu quả đối với các bề mặt thô hoặc các bề mặt có các bước dốc.
• Giao thoa kế ánh sáng trắng sử dụng nguồn sáng băng rộng (ví dụ: diode siêu phát quang), do đó chỉ quan sát được các vân giao thoa trong một phạm vi hẹp xung quanh điểm có hiệu quang lộ bằng 0. Tuy nhiên, cách này sẽ loại bỏ hiệu quả sự nhầm lẫn được đề cập ở trên.
• Có thể sử dụng laser điều chỉnh bước sóng để ghi lại tín hiệu dò cho các tần số quang học khác nhau. Từ các tín hiệu như vậy, có thể xác định chính xác hiệu quang lộ. Phương pháp này cũng hoạt động với các bộ dò hai chiều (ví dụ: camera CCD).
• Nếu một trong các gương bị nghiêng có chủ ý, sẽ thu được các vân giao thoa. Bất kỳ thay đổi nào về hiệu quang lộ sẽ di chuyển mẫu vân giao thoa. Phương pháp này cho phép đo các thay đổi pha một cách nhạy bén và cũng đo các thay đổi pha phụ thuộc vào vị trí, ví dụ như trong một số thành phần quang học.
• Thay vì đo khoảng cách, có thể sử dụng giao thoa kế để đặc trưng hóa ánh sáng. Ví dụ: phổ quang học có thể thu được bằng cách đo tín hiệu dò được so với hiệu quang lộ và áp dụng biến đổi Fourier. Cũng có thể lấy lại các dịch pha phụ thuộc vào bước sóng, ví dụ như để đo độ tán sắc của các thành phần quang học.

Ứng dụng

Giao thoa kế không chỉ dùng để đo chiều dài, mà còn có nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như:

• Đo khoảng cách (hoặc các thay đổi về khoảng cách hoặc vị trí, tức là dịch chuyển)
• Đo bước sóng: Ví dụ như bước sóng của tia laser (gọi là wavemeter), hoặc để đo toàn bộ quang phổ.
• Giám sát những thay đổi nhỏ về bước sóng hoặc tần số ánh sáng: (thường sử dụng đường cong truyền qua của giao thoa kế Fabry-Perot) (bộ phân biệt tần số).
• Đo sự quay (bằng giao thoa kế Sagnac).
• Đo các sai lệch nhỏ của bề mặt quang học so với một mẫu phẳng hoàn hảo (hoặc so với một hình dạng khác). Tham khảo thêm các sản phẩm giao thoa kế bằng ánh sáng trắng của Zygo tại đây.
• Đo độ rộng đường của laser (đo độ rộng đường tự thị dị tần, bộ phân biệt tần số).
• Phát hiện những biến đổi nhỏ của chiết suất hoặc những thay đổi chiết suất được tạo ra trong môi trường trong suốt.
• Điều chế công suất hoặc pha của tia laser: Ví dụ như với bộ điều chế Mach-Zehnder trong hệ thống truyền thông cáp quang.
• Đo độ tán sắc của các thành phần quang học.
• Lọc ánh sáng (như một bộ lọc quang học).
• Mô tả đầy đủ đặc tính của các xung cực ngắn: thông qua giao thoa pha – phổ.

Thí nghiệm khoa học nổi bật đầu tiên sử dụng giao thoa kế là thí nghiệm Michelson-Morley trong bối cảnh tìm kiếm “ether wind”. Phát hiện lớn gần đây nhất dựa trên các phép đo với giao thoa kế là sự phát hiện ra sóng hấp dẫn. Giao thoa kế cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều khám phá khoa học khác, ví dụ như trong lĩnh vực quang học lượng tử.

Tùy thuộc vào ứng dụng mà yêu cầu đối với nguồn sáng trong giao thoa kế có thể rất khác nhau. Trong nhiều trường hợp, cần có nguồn sáng rất tinh khiết về mặt phổ, ví dụ như laser phổ hẹp. Đôi khi, laser phải là laser điều chỉnh bước sóng. Trong các trường hợp khác (ví dụ như đo độ tán sắc với giao thoa kế ánh sáng trắng), cần có nguồn sáng với quang phổ rất rộng và mịn…

Ảnh hưởng bởi nhiễu

Các phép đo giao thoa có thể bị nhiễu bởi nhiều loại nhiễu khác nhau:

Nhiễu cơ học (rung động, va chạm,…): Ảnh hưởng trực tiếp đến các phép đo, do đó thường cần sử dụng các phương tiện cơ học phức tạp để giảm thiểu những ảnh hưởng này.

Nhiễu kỹ thuật từ nguồn sáng: Ví dụ như nhiễu laser, vì vậy nên lựa chọn nguồn sáng phù hợp với ứng dụng, đảm bảo độ tinh khiết quang phổ.

Giao thoa kế là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn với nhiều tiềm năng phát triển nhờ có khả năng đo lường chính xác và độ phân giải cao. Các nhà khoa học đang không ngừng nghiên cứu để cải tiến độ chính xác, độ phân giải và hiệu suất của giao thoa kế. Từ những nỗ lực này, giao thoa kế vẫn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm quang học, vật lý, hóa học, sinh học, y học và kỹ thuật…

TECOTEC OES là công ty hàng đầu Việt Nam về cung cấp thiết bị và giải pháp Quang học – Quang Điện tử công nghệ cao, chúng tôi chuyên cung cấp những sản phẩm ứng dụng Giao thoa ánh sáng cực kỳ chất lượng đến từ các thương hiệu hàng đầu Mỹ và châu Âu như Zygo, Trioptics,… Quý khách cần tìm hiểu thêm xin vui lòng để lại thông tin tại đây. Chuyên viên của chúng tôi sẽ nhanh chóng tư vấn cho quý vị.