Präzisionsmesstechnik für Forschung und Industrie: World Interferometry Day rückt wichtige Technologie ins Rampenlicht

Die Messmethoden der Interferometrie sind im technischen Bereich weit verbreitet. Anwendungen von Interferometern reichen von Detektoren für Gravitationswellen und Tests der Quantenphysik über bildgebende Verfahren in der Medizin bis zu den Laser-Entfernungsmessern auf Baustellen. Trotzdem ist die Technologie in der Öffentlichkeit bislang nur wenig bekannt. Der World Interferometry Day, der am zweiten Mittwoch im April – heuer also am 14.4. – stattfindet, will das ändern.

Auf Initiative der Technischen Universität Ilmenau und der SIOS Meßtechnik GmbH wird an diesem Tag der Erfindung des Michelson-Interferometers und der Interferometrie im Allgemeinen gedacht.

Auch die FH Technikum Wien greift diesen Anlass auf: „Interferometrie spielt eine zentrale Rolle in Experimenten zu den erstaunlichen Vorhersagen der Relativitätstheorie und Quantenphysik. Interferometer finden aber auch Anwendung vielen Bereichen des Ingenieurswesens und nicht zuletzt in der Biophysik. Deshalb feiern wir trotz und auch gerade wegen der derzeitigen Pandemie den World Interferometry Day“, sagt Lukas Mairhofer vom Kompetenzfeld Angewandte Physik der FHTW.

Historischer Hintergrund: das Michelson-Morley-Experiment

Der Name des Michelson-Interferometers geht auf dessen Erfinder, Albert Abraham Michelson zurück. Dieser war ein US-amerikanischer Physiker preußischer Herkunft, welcher Bekanntheit durch das 1881 von ihm durchgeführte Michelson-Morley-Experiment erlangte. Michelsons Experiment sollte die Hypothese des Lichtäthers bestätigen, eines Mediums, durch das sich Licht ausbreitet. Es konnte die Existenz des Äthers nicht beweisen, vielmehr wurde die Äthertheorie dadurch widerlegt und entsprechende Phänomene später durch Einsteins Relativitätstheorie erklärt. Dennoch erhielt Michelson 1907 den Nobelpreis für Physik „für seine optischen Präzisionsinstrumente und seine damit ausgeführten spektroskopischen und metrologischen Untersuchungen.“ Das von ihm für sein Experiment erfundene Michelson-Interferometer ist die Grundlage für moderne Präzisionsinstrumente und hat eine neue Ära der Messtechnik eingeläutet.

Albert Abraham Michelson

Foto: Wikipedia

Moderner Interferometer

Foto: FHTW

Beispiel eines Interferenzmusters (Newtonsche Ringe).

Was ist Interferenz?

Die Messmethoden der Interferometrie basieren auf dem physikalischen Phänomen der Interferenz. Überlagern sich zwei Lichtwellen derselben Wellenlänge, so können sie sich gegenseitig verstärken (konstruktive Interferenz) oder auslöschen (destruktive Interferenz), je nachdem ob sie in Phase oder gegenphasig schwingen. Die hellen Bereiche des resultierenden Interferenzmusters entsprechen einer Verstärkung, die dunklen Bereiche einer Auslöschung der Lichtwellen.

Wie funktioniert ein Michelson-Interferometer?

In einem Michelson-Interferometer trifft ein Lichtstrahl auf einen halbdurchlässigen Spiegel, welcher das Licht in zwei Strahlen aufteilt. Beide dieser Strahlen werden je an einem Spiegel reflektiert und treffen dann zusammen auf einen Detektor. Wird nun einer der Spiegel nach vorne oder hinten verschoben, ändert sich die Weglänge, die dessen Lichtstrahl zurücklegt, bevor er auf den Detektor trifft. Dadurch kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtwellen, was wiederum am Detektor zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz führt. Die Lichtintensität, die vom Detektor gemessen wird, steht also im Zusammenhang mit den winzigen Verschiebungen des Spiegels.

Ausgehend von diesem Prinzip wurde eine Vielzahl von Präzisionsmesstechniken erschlossen, die Anwendung sowohl in Forschung als auch Industrie finden und aus diesen Bereichen nicht mehr wegzudenken wären.

Links: Interferenz zweier Wellen – konstruktiv (oben) und destruktiv (unten). Rechts: Skizze eines Michelson Interferometers

Interferometer – Demo

Die hellen Bereiche eines Interferenzmusters entsprechen einer Verstärkung, die dunklen Bereiche einer Auslöschung der Lichtwellen.
In dieser kurzen Demo wird dieser Effekt mit einem Interferometer sichtbar gemacht.