Interferómetro, creado para medir longitudes de onda

El Interferómetro es un instrumento que se utiliza para medir las longitudes de las ondas, es decir, las distancias que existen entre una y la otra. En el artículo de hoy, nos dedicaremos a explorar todo acerca de este instrumento de medida de manera profunda. Conoceremos entonces acerca de su historia, funcionamiento, cómo utilizarlo y mucho más a continuación.

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¿Qué es el interferómetro?

El interferómetro es un instrumento de medición que se ubica en la categoría óptica, el mismo sirve para medir con efectividad y precisión las distancias que existen entre dos ondas de luz, a dicha distancia se le conoce como »longitud». Para realizar este procedimiento el instrumento emplea las interferencias que ambas ondas producen, este efecto ocurre cuando ambas partes se juntan y una de las ondas resulta mayor a la otra.

Desde su creación han existido muchos tipos diferentes de interferómetros, en cada uno de estos se emplean dos líneas de luz para poder cumplir con su objetivo principal, que es medir las distancias de las ondas ópticas. Dentro de estos instrumentos se manejan dos elementos fundamentales: espejos y prismas, ambos contribuyen a la tarea de hacer que ambas ondas se junten para poder obtener un patrón claro de la distancia entre ellas.

Este instrumento de medición se puede emplear para distintas ocupaciones, entre ellas destacan: la agricultura, biotecnología, cosméticos, ciencias de la tierra, de la atmósfera y mineralogía, control medioambiental, alimentos y bebidas, ciencia forense, medicina y química clínica, investigación militar, industria del petróleo, industria farmacéutica, ciencia de los polímeros, ciencia de los materiales y la industria textil.

Estudio de la Interferometría

La interferometría es la ciencia que practica la medición de fenómenos producidos por las interferencias de las ondas, ya sean de luz, sonido o bien radiales. En dichas mediciones también pueden verse involucradas otras características propias de las ondas o de los lugares donde se propagan.

Otro de sus usos es que permite describir la manera por la cual las ondas de luz realizan sus desplazamientos. La interferometría de medición es comúnmente empleada para la calibración y control de los mecanismos de movimiento de precisión.

Para crear la interferencia de las ondas se utilizan dos rayos (o líneas de luz) que al cruzarse se superponen uno con el otro. Un dato sobre estas ondas de luz es que la trayectoria que recorren es apenas visible al ojo humano y lo que se logra apreciar es mucho más corto de lo que realmente es, es por esta razón que se utiliza un procedimiento especial para poder conocer de manera real, o lo más cercano posible, lo que mide la onda de luz.interferómetro

Medición de la longitud de onda de la luz

La longitud de la onda, como ya se explicó, es el nombre que se le da a la distancia entre las mismas, lo cual es muy distinto a la frecuencia de ellas, que corresponde a la cantidad de ondas que se presentan en una oportunidad. Generalmente estas longitudes se miden en el espectro del metro, que es la unidad de medida básica para ellas, en términos más específicos es medida en nanómetros para las ondas de luz.

Existe también la onda monocromática, que a diferencia de la luz blanca está formada por un solo color. Para medir dicha onda se emplea un interferómetro especial, en donde uno de los espejos que posee el instrumento se encuentra dispuesto entre el recorrido de una de las líneas de luz que lo atraviesan, esto lo que hace es que puede modificar la distancia de la trayectoria y así medir con mayor precisión.

Si dicho espejo se traslada un poco más de la mitad de la distancia se crea entonces un ciclo completo de cambios en las interacciones de las ondas de luz. En concreto, para lograr medir la longitud de las ondas se debe calcular la cantidad de ciclos que se cumplen cuando el espejo se va moviendo en una trayectoria determinada. En los siguientes apartados ahondaremos un poco más acerca de las diferentes medidas que se pueden obtener con este instrumento de ondas.

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Medición de las distancias

Al conocer la longitud de la onda de luz que se va a emplear, es posible medir un cierto número de distancias que recorre dicha onda a partir de sus interferencias, es decir, que estas distancias se podrán calcular al conocer la interacción que realizan dos o más ondas. Esta técnica es muy común y habitualmente es utilizada para calcular el tamaño de los espejos de los telescopios.

Medición de índices de refracción

En principio, los índices de refracción hacen alusión a la velocidad de la onda, más en concreto a la velocidad de fase, es decir, a la tasa de repetición que esta posee. Estos índices también pueden ser medidos por un interferómetro y se ven reflejados en el esparcimiento o desplazamiento de la onda en las líneas de luz del instrumento.

El interferómetro en Astronomía

El interferómetro astronómico se entiende como un conjunto de telescopios, fragmentos de espejos o bien, antenas de radiotelescopios individuales (captan las ondas emitidas por los radios a distintas distancias), que al unirse se complementan para formar un único telescopio. El fin que se obtiene al unir todas estas piezas es que permiten una resolución de imágenes en mayor calidad que si se utilizaran las partes de manera aislada.

Este diseño en particular es empleado para poder observar no solo a las estrellas, sino también las galaxias y los cuerpos de gases químicos conocidos como nebulosas, por medio del ya mencionado estudio de la interferometría. La ventaja que proporciona este instrumento es que no solo capta a mejor resolución la imagen del espacio, sino que lo hace como una »resolución angular», es decir, da la posibilidad de separar la imagen en dos partes de una sola toma.

Por otra parte, su debilidad es que el espejo no capta tanta luz como lo haría si estuviera por separado. Es por esta razón, que este tipo de diseño en conjunto es apropiado para el estudio de la astronomía, la calidad en las imágenes que se logran captar con esta clase de instrumentos son requeridas para poder realizar un estudio más profundo y eficiente de las mismas, así como también para la observación precisa de las estrellas binarias, que son un conjunto de estros luminosos que se encuentran alrededor de algún cuerpo espacial.

La manera de construir un interferómetro astronómico sencillo, consiste en copiar el diseño de un telescopio reflector que utiliza espejos en lugar de lentes, como la gran mayoría. El diseño se debe imitar casi por completo, pero dejando un pequeño espacio abierto. La disposición de los espejos no debe ser del todo precisa, en realidad es lo menos importante en su elaboración, mientras que lo principal es que la distancia de ambos a través de las líneas de luz sean lo más parecidas posibles para resultados más completos.

En la actualidad, la astronomía emplea estos diseños de interferómetros para realizar la búsqueda de planetas que orbiten en otras estrellas distintas al sol, dichos planetas se conocen como »Planetas extrasolares». El fin que persigue este objetivo es para conocer las medidas astronómicas que poseen dichos planetas, así como para conocer anulaciones que se presentan en sus imágenes capturadas.

A pesar de mencionar los múltiples usos y ventajas que trae consigo este instrumento para la ciencia de la astronomía, existe hoy en día una discusión acerca de si en realidad generan una diferencia importante para este mundo.

Muchos estudios de este campo se debaten que a pesar de la calidad de imagen que ofrece este diseño, esta se puede obtener de la misma forma usando varios de sus telescopios tradicionales y piensan que el crear un aparato aparte formado de otros instrumentos posee muchas complicaciones innecesarias.

Historia del Interferómetro

En la historia sobre este instrumento resalta un nombre entre todos, se trata del el científico Michelson, que fue uno de los pioneros en implementar el uso del interferómetro en la astronomía usando uno en el Observatorio del Monte Wilson. La estrella gigante roja Betelgeuse fue lo primero que se logró medir utilizando este método el día 13 de diciembre de 1920.​

Llegados los años cuarenta se fueron desarrollando otras tendencias sobre este instrumento, ya no solo se empleaba para las ondas de luz y sonido, se empezó a introducir en las ondas emitidas por los radios. Los años que vinieron luego de esta introducción permitieron abrir las puertas del estudio de interferometría al campo de las ondas radiales, llevando al desarrollo de grandes instrumentos como el Very Large Array y el Atacama Large Millimeter Array.

Luego de esto, existió una distinción entre la interferometría óptica y la infrarroja, haciendo que los científicos en la materia Johnson, Betz y Townes (1974) se dedicaran a esta última categoría y Labeyrie (1975)  a las ondas de luz visible.​ Al llegar a 1970, se realizaron mejoras con respecto al procesamiento de datos de estos instrumentos, haciendo posible realizar el seguimiento de los patrones de las interferencias de las ondas, lo que permitió el desarrollo de los interferómetros identificados como Mk I, II y III.

Todos estos avances también permitieron complementar los diseños de otros instrumentos de medida como el Interferómetro Keck y el Interferómetro Palomar Testbed.

En la década de 1980 el método para reducir las imágenes de apertura interferométrica fue llevado al estudio de la astronomía de luz visible e infrarroja por el Grupo Cavendish de Astrofísica, lo que dio lugar a las primeras imágenes de estrellas en alta resolución.​ En 1995, este modelo fue implementado en una serie de telescopios individuales, al hacerlo se lograron obtener un conjunto de imágenes de mejor resolución del espacio, incluyendo estrellas a una gran distancia.

Todas estas técnicas y mejoras que se han conseguido al pasar de los años y a las actualizaciones con respecto a los estudios de la astronomía, dieron pie a implementar ciertas modificaciones a telescopios astronómicos, entre ellos destacando: el Prototipo de Interferómetro Óptico Navy, el Interferómetro Espacial Infrarrojo y el Dispositivo IOTA.

En la actualidad, aún se están diseñando nuevos interferómetros con el fin de obtener mejores resultados, por ahora se espera que las medidas de estos sean superiores a las de sus antecesores, entre los nuevos instrumentos se pueden mencionar el VLTI, el CHARA y el prototipo de Hipertelescopio Le Coroller y Dejonghe. Cuando se complete, el Interferómetro MRO contará con hasta diez telescopios móviles y será capaz de reproducir imágenes con mayor exactitud que los demás instrumentos de su tipo.

El Interferómetro Óptico Navy fue el responsable de dar estas mejoras en el año 1996, haciendo una reducción de la estrella Mizar en tres maneras diferentes e igual de precisas;​ luego pudo realizar una síntesis de mayor calidad en seis maneras de ver a la estrella Eta Virginis en 2002 y recientemente, se ha implementado para la observación de imágenes de los satélites geostacionarios del sur del Ecuador.

Interferómetro de Michelson

El interferómetro de Michelson, fue desarrollado por Albert Abraham Michelson en 1880, dicho instrumento permite medir distancia con una alta precisión. La manera en que funciona es a partir de la división de una línea de luz en dos, luego ambas realizan una trayectoria específica hasta que se juntan en cierto punto.

De esta forma, este recorrido y posterior unión posibilita la obtención de la interferencia de las ondas, permitiendo de esta manera calcular las pequeñas variaciones producidas en las mismas por las líneas de luz.

Este interferómetro fue usado por Michelson junto con su colega Edward Morley para probar que el fluido invisible conocido como éter existe realmente, aunque no pueda ser percibido visualmente, este proyecto fue conocido como el experimento Michelson y Morley.

En esencia, la luz se separa por medio de una superficie de dos espejos que realizan la división. La primera línea de luz se refleja en el segundo espejo que se encuentra en la sección de arriba, luego la línea es proyectada hacia el otro extremo y se traslada hasta el detector. La segunda línea de luz es proyectada en la división de la superficie, luego se refleja en el primer espejo ubicado en la parte inferior y de ahí al detector.

El espacio libre que existe entre cada uno de los espejos del instrumento se conoce como »brazo del interferómetro». Es común que uno de estos brazos permanezca estático durante todo el experimento, mientras que el sobrante es empleado para colocar las muestras.

El observador puede presenciar que cada una de las líneas posee una velocidad diferente, que dependerá de los cambios que se realicen en el espacio óptico. Dicha diferencia dependerá de la disposición de los espejos o la colocación de cualquier material en cada uno de los brazos del interferómetro. Esta alteración hará que las ondas converjan de manera constructiva o destructiva, de igual manera, esto último estará determinado por la distancia de las longitudes, bien sea en números enteros (0,1, ó 2) o números con sus decimales (0,5; 0,6).

Por lo general, se utilizan lentes para poder agrandar la línea de luz para que sea más fácil de ver en la imagen proyectada. Lo que deberá observar el individuo son una serie de anillos y al mover el espejo, estos también se moverán. La forma de los anillos viene dada a raíz de la conservación de su energía, ya que se mantiene un constante cambio entre la luz y la oscuridad, dando esa forma.

En este instrumento se puede observar que al comenzar cada experimento hay una interferencia inicial a la cual no es posible determinar su distancia, solo se puede asumir que esta es producto de que su longitud se multiplica. Es por este motivo que este modelo de interferómetro solo se emplea para las distancias pequeñas, puesto que luego de figurar la primera interferencia se pueden observar los movimientos de los anillos con respecto a los espejos.

A finales del siglo XIX, este instrumento se utilizaba con luces que provenían de descarga en gases, con un filtro y una pequeña rendija. En particular, para el experimento de Michelson y Morley, se empleó la luminosidad de alguna estrella. En la actualidad, en los laboratorios se explica cómo construir este artefacto por medio de un láser.

Experimento de Michelson y Morley

La teoría que existía para el siglo XIX postulaba que las ondas, tanto de sonido como de las olas, requerían un medio para movilizarse, en este caso era el aire y el agua, de esta manera la luz también lo necesitaba y para esto era utilizado el éter. Sin embargo esto no era una tarea sencilla, puesto que la velocidad de la luz es indetectable y probar la presencia del éter representaba un reto.

El objetivo central que presentaban estos científicos en la materia era probar la velocidad relativa de la tierra con respecto al fluido invisible del éter. Como se sabe, todos los años la tierra realiza un gran recorrido alrededor del sol. Se pensaba que la dirección en la que se movía el viento del éter podría cambiar si se medía desde la tierra y así poder cuantificarla. Por ende, para evitar cualquier tipo de alteración que se pudiera emplear en este viento por parte del sol, el experimento llevó varios años para completarse.

El efecto que se esperaba que el viento del éter tuviera en las ondas de luz, es que sirviera como una especie de corriente que pudiera favorecer o entorpecer a dichas ondas. Lo que se esperaba era que la luz en la tierra llegara en diferentes posiciones a causa del éter. La clave se encontraba en los viajes circulares, es decir, que las velocidades de la luz en estas mediciones serían muy pequeñas.

Para llevar a cabo este experimento, los científicos diseñaron este instrumento en la base de un edificio cerca del mar. El cual estaba formado por un semiespejo, que separaba la luz monocromática en dos líneas de luz que se trasladaban de un lado al otro en su trayectoria.

INTERFERÓMETRO

Luego de esto, hicieron que ambas líneas de luz trazaran recorridos iguales para las dos y los datos que agrupaban consistían en los puntos en común donde ambas líneas de luz se unían, esos puntos de convergencia se denominaron como patrón de interferencia y su valor dependería de que tan rápida fuera la velocidad de dicha onda lumínica.

Funcionamiento del Interferómetro

Al a la hora de llevar la teoría a la práctica es necesario implementar un elemento importante para poder cumplir y obtener los resultados esperados, nos referimos a un instrumentos láser identificado como XL-80, cuya función es generar una longitud de onda estable, lo cual es de gran relevancia para poder llevar a cabo la interferencia de las ondas.

Existen distintas maneras de realizar las configuraciones de este tipo de láser para el interferómetro, entre ellas se dan los principios de Michelson ya explicados en el apartado anterior, por ahora la configuración más simple para iniciar el proceso es la lineal.

El sistema láser XL-80 contiene adentro dos espejos que son rectoreflectores, es decir, que la luz que se refleja en uno de ellos pasa al siguiente espejo y luego se devuelve al primero. Uno de estos se encuentra ubicado donde se origina la primera línea de luz, sirviendo como sitio de referencia para la persona. Mientras que el otro, se encuentra ubicado al extremo contrario para poder dar con la longitud de la onda que variará dependiendo de la distancia del primer espejo.

INTERFERÓMETRO

Dentro del mismo se incluye un detector óptico, por medio de este se pueden apreciar las interferencias entre dichas ondas. Al moverse el primer espejo se producen los pequeños cambios en la trayectoria recorrida por la onda.

El ciclo que se forma construyéndose y destruyéndose es lo que causa el cambio en la relatividad de las distancias de ellas y por consecuencia, se van creando creando variaciones en cada uno de los ciclos. Cada vez que el primer espejo se rota a una distancia de 316,5 nm, se forma un ciclo de la variación de la onda, tendiendo a ir de una fase oscura a una clara, lo que vendría siendo la mitad del rayo utilizado en el láser.

Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información presentada le haya sido de gran utilidad. Le hacemos la invitación a leer también: Calibrador y Micrómetro

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