Das Mach-Zehnder-Interferometer ist ein Gerät, das für präzise optische Messungen verwendet wird. Es kann Interferenzen demonstrieren, indem es einen Lichtstrahl teilt und die Phasenverschiebungen zwischen den beiden misst. Vor mehr als einem Jahrhundert wurde das Gerät von den prominenten Physikern Ludwig Zehnder und Ludwig Mach entwickelt. Als vielseitiges Diagnosewerkzeug wird das Mach-Zehnder-Interferometer verwendet, um Beispiele in der Quantenphysik, Aerodynamik und Plasmaphysik zu veranschaulichen. Luft umströmt aerodynamische Strukturen, und Temperaturänderungen, Druck und Dichte in gasförmigen Medien können beobachtet werden.
Die Grundkomponenten des Interferometers sind eine Lichtquelle, zwei Strahlteiler, zwei Spiegel und zwei Detektoren. Der Strahlteiler ist meistens ein halbversilberter Spiegel, der einen Teil des Lichtstrahls bricht und den Rest reflektiert. Licht von einer Lichtquelle, typischerweise einem Laser, fällt auf einen Strahlteiler, der das Licht in zwei Strahlen gleicher Intensität aufteilt. Die Strahlen laufen in verschiedene Richtungen und treffen auf die beiden Spiegel. Die Phase jedes Lichtstrahls wird durch seinen Kontakt mit der Spiegeloberfläche geändert.
Im zweiten Strahlteiler werden die Strahlen rekombiniert, und Detektoren unterstützen die Untersuchung der Phasenunterschiede in den Lichtwegen. Bei einer alternativen Anordnung laufen die rekombinierten Strahlen durch eine positive Linse, wodurch die Strahlen an einem einzigen Punkt fokussiert werden. Sind alle reflektierenden Flächen absolut parallel ausgerichtet, entstehen bei der Rekombination der Strahlen keine Interferenzstreifen. Unterscheiden sich die Winkel der Spiegelflächen jedoch auch nur geringfügig, so erzeugen die rekombinierten Strahlen Interferenzstreifen. Das vom Mach-Zehnder-Interferometer erzeugte Interferenzstreifenmuster zeigt dunkle und helle Linien mit unterschiedlicher Intensität.
Das Gerät ist extrem empfindlich und kann sogar als genaues Thermometer fungieren. Zum Beispiel könnte eine mit Wasser gefüllte Zelle in den Weg eines der geteilten Strahlen platziert werden, während eine andere mit Luft gefüllte in den anderen Weg platziert werden könnte. Der Brechungsindex von Flüssigkeiten wie Wasser hängt von der Temperatur ab, und wenn das Wasser in der Zelle auch nur eine geringe Temperaturänderung erfährt, zeigt sich der Effekt im resultierenden Streifenmuster. Mit dem Mach-Zehnder-Interferometer ist es möglich, kleinste Änderungen der Wassertemperatur zu messen.
Es ist wichtig, ein Verständnis der Optik zu haben, wenn ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet wird, um genaue Messungen durchzuführen. Trifft Licht auf eine Oberfläche, verschiebt sich das reflektierte Licht um genau eine halbe Wellenlänge, wenn das Material auf der anderen Seite der Oberfläche einen höheren Brechungsindex besitzt. Wenn der Brechungsindex dieses Materials niedriger ist, gibt es keine Phasenänderung im reflektierten Strahl. Wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht, gibt es auch keine Phasenänderung, aber die Richtung des Strahls ändert sich aufgrund der Brechung.
Das Mach-Zehnder-Interferometer kann auch verwendet werden, um den Brechungsindex von Gasen zu untersuchen und sogar Objekte auf Ebenheit zu überprüfen. Auch die Messung optischer Ungenauigkeiten in einer Platte oder Oberfläche kann mit Hilfe des Interferometers durchgeführt werden. Einige Wissenschaftler verwenden das Interferometer auch in Strömungsvisualisierungsanwendungen, indem sie die Technik der Lichtunterscheidung verwenden, um Veränderungen zu beobachten.