Interferometrie

Grundprinzip und Bedeutung

Interferometrie bezeichnet Messmethoden, die die Überlagerung beziehungsweise Interferenz von Wellen nutzen, um messbare Größen zu bestimmen. Grundsätzlich können Licht-, Schall-, Materie- und Wasserwellen interferieren. Dadurch lassen sich alle Effekte untersuchen, die Wellen beeinflussen.

Ein Interferometer ist ein technisches Gerät für Präzisionsmessungen mit Interferenz. Gemessen werden insbesondere Änderungen der effektiven Weglänge der Wellen und damit der Eigenschaften der überlagerten Welle. Bei optischen Interferometern werden mindestens zwei Lichtbündel mithilfe von Spiegeln oder halbdurchlässigen Platten, den Strahlteilern, auf getrennten optischen Bahnen geführt. Am Ende werden sie reflektiert und wieder zusammengeführt. Dabei entsteht ein Interferenzmuster aus Interferenzstreifen oder Interferenzringen. Seine Form hängt von der Differenz der optischen Wege ab, die die Strahlen bis zur Vereinigung zurückgelegt haben.

Anwendungen sind unter anderem Längen-, Brechungsindex- und Winkelmessungen sowie Spektroskopie. Laserinterferometer dienen der Entfernungsmessung, Weißlichtinterferometer der Formvermessung von Werkstücken. Laser-Doppler-Vibrometer messen Schwingungen. Das FTIR-Spektrometer wird zur chemischen Analyse von Materialien eingesetzt; die Kapillarwellenspektroskopie untersucht Grenzflächenvorgänge.

Ein historisch besonders bekannter Versuch ist das Michelson-Morley-Experiment mit einem Michelson-Interferometer. Der Artikel beschreibt, dass es zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem Bezugssystem gleich ist. Das Ergebnis brachte die Äthertheorie ins Wanken und gehörte zu den grundlegenden Annahmen der später von Albert Einstein aufgestellten speziellen Relativitätstheorie. Nach einem ähnlichen Prinzip wurde im GEO600-Projekt bei Hannover nach Gravitationswellen gesucht; 2015 gelang dies im LIGO-Observatorium. Neben Lichtinterferometrie gibt es unter anderem Radarinterferometrie und Atominterferometer, die die Welleneigenschaft von Teilchen gemäß dem Welle-Teilchen-Dualismus nutzen.

Interferenz bei der optischen Abbildung

Optische Abbildungssysteme nutzen die Interferenz der an einer Eingangsöffnung eintreffenden Lichtwellen, um ein reelles oder virtuelles Bild zu erzeugen. Das gilt beispielsweise für eine Sammellinse, die ein Bild projiziert, und für ein Teleskop, dessen Okular ein virtuelles Bild ferner Gegenstände erzeugt. Das wahrgenommene Bild kann in diesem Sinn als Interferogramm verstanden werden.

Werden die Bildinformationen mehrerer räumlich getrennter Einzelinstrumente überlagert, lässt sich das Auflösungsvermögen steigern. Dadurch können kleinere Details besser oder überhaupt erst abgebildet werden. Beispiele sind der Interferometer-Modus des Very Large Telescope und das Optoelektronische Array der Sternwarte am purpurnen Berg in Südwestchina. Die vier oder sechs über Vakuumröhren verbundenen 1-m-Teleskope des Center for High Angular Resolution Astronomy am Mount-Wilson-Observatorium bei Los Angeles erreichen die Auflösung eines 330-m-Spiegels, also eine 50-mal bessere Auflösung als das Hubble-Weltraumteleskop.

Für stabile Interferenz müssen die Wellen kohärent überlagert werden. Die von verschiedenen Teilen des Interferometers kommenden Lichtsignale dürfen sich in ihren Weglängen nur um weniger als die Kohärenzlänge unterscheiden. Diese hängt von der Wellenlänge und der spektralen Bandbreite beziehungsweise Filterbandbreite des verwendeten Lichtes ab.

Das Auflösungsvermögen wird durch den Abstand der Teleskope bestimmt, die Lichtempfindlichkeit dagegen durch den Teleskopdurchmesser. Die für lichtschwache Objekte in entfernten Galaxien eingesetzten Teleskope des VLT der Europäischen Südsternwarte besitzen deshalb Spiegeldurchmesser von 8,2 m. Für das zur Überwachung erdnaher Asteroiden und von Weltraummüll eingesetzte Optoelektronische Array genügen dagegen 40/25-cm-Teleskope. Dort werden die Signale von CCD-Sensoren elektrisch erzeugt und in einem Rechenzentrum rechnerisch überlagert; in Los Angeles und auf dem Cerro Paranal wird das Licht über optische Systeme in ein zentrales Labor geleitet.

Interferenz in der Radioastronomie

In der Radioastronomie werden die Signale mehrerer Radioteleskope ebenfalls rechnerisch überlagert. Bei der Langbasisinterferometrie, kurz VLBI, zeichnet man von mehreren räumlich weit getrennten Antennen die vollständige Welleninformation auf: die Amplitude des Signals in Abhängigkeit von der Zeit. Eine besonders präzise Zeitmessung ist notwendig, damit die Phasenlage der Einzelsignale zueinander in den Daten enthalten bleibt und die Interferenz im Computer berechnet werden kann.

So lassen sich sogar Radioteleskope auf verschiedenen Kontinenten zusammenschalten. Auf diese Weise entstehen hochaufgelöste Bilder von Radioquellen. Trotz der im Vergleich zum sichtbaren Licht weitaus größeren Wellenlängen kann mit VLBI eine Auflösung erreicht werden, die im sichtbaren Licht bisher nicht denkbar ist.

Bei anderen radioastronomischen Interferometern werden nicht wenige, weit entfernte und oft sehr große Antennen verwendet, sondern viele kleinere Einzelantennen zu einer Gruppe zusammengefasst. Das Very Large Array des Nationalen Radioastronomischen Observatoriums in New Mexico besteht aus 27 Parabolantennen mit jeweils 25 m Durchmesser. Das Interferometer des Observatoriums Miyun bei Peking besitzt 32 Antennen mit jeweils 9 m Durchmesser.

Zweistrahl- und Vielstrahlinterferometer

Interferometer werden im Artikel nach der Zahl der zusammenwirkenden Strahlen eingeteilt.

Zu den Zweistrahlinterferometern gehören:

• Bath-Interferometer
• Jamin-Interferometer
• Mach-Zehnder-Interferometer und sein Vorläufer, das Jamin-Interferometer
• Michelson-Interferometer
• Twyman-Green-Interferometer
• Ramsey-Interferometer
• Rayleigh-Interferometer
• Sagnac-Interferometer
• Weißlichtinterferometer

Eine zweite Gruppe bilden die Vielstrahlinterferometer. Dazu zählen das Fabry-Pérot-Interferometer und das Fizeau-Interferometer.

Weitere interferometrische Messverfahren

Neben den genannten Interferometertypen und Anwendungen werden weitere Verfahren aufgeführt:

• Atominterferometer
• holografische Interferometrie
• Speckle-Interferometrie
• Speckle-Fotografie, bei der Interferometrie nur bei der Entstehung der Speckles eine Rolle spielt
• elektronische Specklemuster-Interferometrie
• Shearografie
• konoskopische Holografie
• interferometrische Spektroskopie, insbesondere im Zusammenhang mit dem FTIR-Spektrometer
• Phasenkontrastmikroskopie
• Phasenschiebeverfahren zur Phasenmessung bei verschiedenen Interferometertypen
• Intensitätsinterferometer
• Interferometric Synthetic Aperture Radar