L’interféromètre de Mach-Zehnder est un appareil utilisé pour effectuer des mesures optiques précises. Il peut démontrer une interférence en divisant un faisceau lumineux et en mesurant les déphasages entre les deux. Il y a plus d’un siècle, l’appareil a été créé par les éminents physiciens Ludwig Zehnder et Ludwig Mach. Outil de diagnostic polyvalent, l’interféromètre de Mach-Zehnder est utilisé pour illustrer des exemples en physique quantique, en aérodynamique et en physique des plasmas. L’air circule autour des structures aérodynamiques et des changements de température, de pression et de densité dans les milieux gazeux peuvent être observés.
Les composants de base de l’interféromètre sont une source lumineuse, deux séparateurs de faisceaux, deux miroirs et deux détecteurs. Le séparateur de faisceau est le plus souvent un miroir semi-argenté qui réfracte une partie du faisceau lumineux et réfléchit le reste. La lumière d’une source lumineuse, généralement un laser, tombe sur un séparateur de faisceau, qui divise la lumière en deux faisceaux d’intensité égale. Les faisceaux se déplacent dans des directions différentes et frappent les deux miroirs. La phase de chaque faisceau lumineux est modifiée par son contact avec la surface du miroir.
Les faisceaux sont recombinés dans le deuxième séparateur de faisceau et des détecteurs aident à l’étude des différences de phase dans les trajets lumineux. Un autre agencement fait passer les faisceaux recombinés à travers une lentille positive, provoquant la focalisation des faisceaux en un seul point. Si toutes les surfaces réfléchissantes sont alignées de manière à être absolument parallèles, aucune frange d’interférence n’est produite lors de la recombinaison des faisceaux. Cependant, si les angles des surfaces des miroirs diffèrent même légèrement, les faisceaux recombinés produisent des franges d’interférence. Le motif de franges d’interférence produit par l’interféromètre de Mach-Zehnder montrera des lignes sombres et lumineuses qui varient en intensité.
L’appareil est extrêmement sensible et peut même servir de thermomètre précis. Par exemple, une cellule remplie d’eau pourrait être placée dans le trajet de l’un des faisceaux divisés, tandis qu’une autre remplie d’air pourrait être placée dans l’autre trajet. L’indice de réfraction des fluides comme l’eau dépend de la température, et si l’eau dans la cellule subit même un léger changement de température, l’effet se voit dans le motif de franges résultant. Il est possible de mesurer des changements très infimes de la température de l’eau avec l’interféromètre de Mach-Zehnder.
Il est important d’avoir une compréhension de l’optique lors de l’utilisation d’un interféromètre de Mach-Zehnder pour effectuer des mesures précises. Lorsque la lumière tombe sur une surface, la lumière réfléchie se décale d’exactement une demi-longueur d’onde si le matériau de l’autre côté de la surface possède un indice de réfraction plus élevé. Si l’indice de réfraction de ce matériau est inférieur, alors il n’y a pas de changement de phase dans le faisceau réfléchi. Lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre, il n’y a pas non plus de changement de phase, mais la direction du faisceau change en raison de la réfraction.
L’interféromètre de Mach-Zehnder peut également être utilisé pour étudier l’indice de réfraction des gaz et même vérifier la planéité des objets. La mesure des imprécisions optiques dans une plaque ou une surface peut également être effectuée à l’aide de l’interféromètre. Certains scientifiques utilisent également l’interféromètre dans des applications de visualisation de flux en employant la technique de discrimination de la lumière pour observer les changements.