L’interferometro Mach-Zehnder è un dispositivo utilizzato per effettuare misurazioni ottiche precise. Può dimostrare l’interferenza dividendo un raggio di luce e misurando gli sfasamenti tra i due. Più di un secolo fa, il dispositivo è stato creato dai fisici di spicco Ludwig Zehnder e Ludwig Mach. Uno strumento diagnostico versatile, l’interferometro Mach-Zehnder viene utilizzato per illustrare esempi di fisica quantistica, aerodinamica e fisica del plasma. Flussi d’aria attorno alle strutture aerodinamiche e si possono osservare variazioni di temperatura, pressione e densità nei mezzi gassosi.
I componenti di base dell’interferometro sono una sorgente luminosa, due divisori di raggio, due specchi e due rilevatori. Il divisore di raggio è spesso uno specchio semi-argentato che rifrange una parte del raggio di luce e riflette il resto. La luce proveniente da una sorgente luminosa, tipicamente un laser, cade su un divisore di raggio, che divide la luce in due raggi di uguale intensità. I raggi viaggiano in direzioni diverse e colpiscono i due specchi. La fase di ogni raggio luminoso viene modificata dal suo contatto con la superficie dello specchio.
I fasci vengono ricombinati nel secondo divisore di fascio e i rivelatori aiutano nello studio delle differenze di fase nei percorsi luminosi. Una disposizione alternativa prevede che i raggi ricombinati passino attraverso una lente positiva, facendo sì che i raggi si focalizzino in un unico punto. Se tutte le superfici riflettenti sono allineate in modo da risultare assolutamente parallele, non si producono frange di interferenza quando i fasci si ricombinano. Tuttavia, se gli angoli delle superfici dello specchio differiscono anche leggermente, i raggi ricombinati producono frange di interferenza. Il modello di frangia di interferenza prodotto dall’interferometro Mach-Zehnder mostrerà linee scure e luminose che variano di intensità.
Il dispositivo è estremamente sensibile e può persino fungere da termometro accurato. Ad esempio, una cella piena d’acqua potrebbe essere collocata nel percorso di una delle travi divise, mentre un’altra piena d’aria potrebbe essere collocata nell’altro percorso. L’indice di rifrazione di fluidi come l’acqua dipende dalla temperatura, e se l’acqua nella cella subisce anche un leggero cambiamento di temperatura, l’effetto si vede nel motivo della frangia risultante. È possibile misurare variazioni molto minime della temperatura dell’acqua con l’interferometro Mach-Zehnder.
È importante avere una comprensione dell’ottica quando si utilizza un interferometro Mach-Zehnder per effettuare misurazioni accurate. Quando la luce cade su una superficie, la luce riflessa si sposta esattamente di mezza lunghezza d’onda se il materiale dall’altra parte della superficie possiede un indice di rifrazione più elevato. Se l’indice di rifrazione di questo materiale è inferiore, non vi è alcun cambiamento di fase nel raggio riflesso. Quando la luce viaggia da un mezzo all’altro, non c’è nemmeno cambiamento di fase, ma la direzione del raggio cambia a causa della rifrazione.
L’interferometro Mach-Zehnder può essere utilizzato anche per studiare l’indice di rifrazione dei gas e persino per controllare la planarità degli oggetti. La misurazione delle imprecisioni ottiche in una lastra o superficie può essere eseguita anche con l’ausilio dell’interferometro. Alcuni scienziati utilizzano l’interferometro anche nelle applicazioni di visualizzazione del flusso impiegando la tecnica della discriminazione della luce per osservare i cambiamenti.