Interferometrie

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Interferometrie ist eine weit genutzte Messmethode in der Physik, die auf der Überlagerung von Wellen in einem sogenannten Interferometer basiert und Informationen über die beteiligten Wellen liefert.

Vom Messobjekt ausgehende Wellen werden durch das Interferometer zu einem Interferogramm überlagert.

Grundsätzlich lässt sich mit jeder Art von Welle, seien es Licht-, Schall-, Materie- oder gar Wasserwellen Interferenz erzeugen und somit auch Interferometrie betreiben.

Eines der einfachsten Interferometer ist eine einfache Sammellinse. Vom Objekt kommendes Licht wird von allen Stellen der Linse auf den Bildpunkt in der Brennebene gelenkt und dort zur Interferenz gebracht. Ebenso stellt jedes Teleskop ein Interferometer dar und die damit aufgenommenen Bilder deren Interferogramme. Gemeinhin werden jedoch nur komplexere Messinstrumente als Interferometer bezeichnet.

Astronomische Interferometrie

Große Bedeutung hat die Interferometrie in der Astronomie. Hier werden interferometrische Methoden eingesetzt, um die Auflösung der beobachteten Objekte zu steigern, also detailreichere Bilder zu erhalten. Das Auflösungsvermögen eines Teleskops ist - unter idealen Bedingungen - proportional zu seinem Durchmesser. Durch geeignetes Überlagern der Signale aus mehreren Teleskopen kann Objektinformation gewonnen werden, die einem Auflösungsvermögen entspricht, das dem größten Abstand der beteiligten Teleskope entspricht.

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. Für das visuelle V-Band ergibt sich eine Kohärenzlänge von drei Mikrometer, für das nah-infrarote K-Band beträgt diese zwölf Mikrometer.

Seit langem wird in der Radioastronomie mit interferometrischen Methoden gearbeitet (siehe Interferometer (Radioastronomie)). Anders als in der optischen Astronomie ist man hier nicht gezwungen, die Signale der teilnehmenden Radioteleskope direkt zu überlagern. In der Radioastronomie kann man die vollständige Welleninformation jedes einzelnen Teleskops in Form von Amplitude und Phase aufzeichnen. Wird hierzu noch die genaue Zeitinformation aufgezeichnet, kann das Signal mit den Signalen anderer Teleskope im Computer zur Interferenz gebracht werden. Auf diese Weise können sogar Radioteleskope auf verschiedenen Kontinenten zusammengeschaltet werden und so hochaufgelöste Bilder liefern (siehe Very Long Baseline Interferometry).

Interferometer

Ein Interferometer ist ein technisches Gerät, das für die Feststellung von Interferenzen (Überlagerungen von Wellen) für Präzisionsmessungen genutzt wird. Einsatzfelder sind die Längenmessung, die Brechungsindexmessung, die Winkelmessung und die Spektroskopie. Neben Interferometrie mit Lichtwellen gibt es auch Atominterferometer.

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

Vielstrahlinterferometer

Weitere interferometrische Messverfahren

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

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

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