Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers
Was ist ein Mach-Zehnder-Interferometer?
Mach-Zehnder-Interferometer sind einfache interferometrische Instrumente, die die relative Phasenverschiebung zwischen zwei kollimierten Lichtstrahlen messen. Diese Phasenverschiebung kann genutzt werden, um kleine Verschiebungen, den transmittierten Wellenfrontfehler von transmissiven Optiken, den Brechungsindex von transparenten Materialien, Luftströmungen in Windkanälen und mehr zu messen.
Mach-Zehnder-Interferometer bestehen aus einer kohärenten Lichtquelle wie z. B. einem Laser, zwei Strahlteilern und zwei Spiegeln (Abbildung 1 und Abbildung 2). Zuerst wird der Lichtstrahl mithilfe des ersten Strahlteilers in zwei optische Wege aufgeteilt. Die zwei Strahlen haben die gleiche optische Weglänge (die zurückgelegte Distanz multipliziert mit dem Brechungsindex des Mediums, durch das der Strahl sich ausbreitet). Jeder Strahl wird dann von einem Spiegel reflektiert und die Strahlen werden über den zweiten Strahlteiler wieder zusammengeführt. Gibt es einen Unterschied in der optischen Weglänge der beiden Strahlen, der kleiner als die Kohärenzlänge der Lichtquelle ist, entstehen Interferenzringe. Da die Kohärenzlänge einer Lichtquelle extrem klein sein kann, sind präzise Komponenten und eine präzise Ausrichtung entscheidend. Soll eine Probe vermessen werden, kann diese in einem der beiden Strahlengänge platziert werden. Die resultierende Weglängendifferenz kann über die Veränderung der Interferenzringe gemessen werden.
Abbildung 1: Typischer Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers
Abbildung 2: Laboraufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers mit Standardkomponenten von Edmund Optics®
Aufbau eines Systems mit Standardkomponenten von Edmund Optics®
Mit der folgenden Anleitung kann ein System wie in Abbildung 2 aufgebaut werden.
Baugruppen
Jede Optikbaugruppe kann zum Labortischaufbau hinzugefügt und auf optischen Schienen einfach entlang der optischen Achse verschoben werden. Die kleine lineare Bühne auf dem Reiter der Schiene vereinfacht die Feinausrichtung in Richtung der optischen Achse oder orthogonal dazu.
Aufbaubasis für Optiken
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#54641 |
Montageplatte 600 mm x 300 mm |
1 |
#54929 |
Optische Mikroschiene, 500 mm Länge |
2 |
Lichtquelle
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#86848 |
Coherent® StingRay™ Laserdiodenmodul 1231490 | 520 nm, 5 mW |
1 |
#59099 |
5 V universelle Stromversorgung |
1 |
#18291 |
Adapter mit 19,1 mm Innendurchmesser (ID) E-Serie |
1 |
#15866 |
Kinematische runde Optikhalterung der E-Serie 25/25,4 mm |
1 |
#59760 |
Edelstahlstange, M6-Gewinde, Länge 63,5 mm |
1 |
#58973 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 76,2 mm |
1 |
#58992 |
Stangenklemmring |
1 |
#16714 |
Schwalbenschwanzbühne, 30 mm quadratisch, metrisch |
1 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
1 |
Abbildung 3: Baugruppe Lichtquelle
Irisblende
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#53914 |
Gefasste Irisblende, 30,8 mm Außendurchmesser |
2 |
#58963 |
Edelstahlstange, 8 -32-Gewinde, 2,5“ Länge |
2 |
#58973 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 76,2 mm |
2 |
#58992 |
Stangenklemmring |
2 |
#16714 |
Schwalbenschwanzbühne, 30 mm quadratisch, metrisch |
2 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
2 |
Abbildung 4: Baugruppe Irisblende
Halterung für plankonkave Linse
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#64552 |
Optikhalterung, Optikdurchmesser 6,0 mm |
1 |
#48690 |
Plankonkave Linse, 6 mm Durchmesser x -15 mm Brennweite, VIS-0°-beschichtet |
1 |
#59760 |
Edelstahlstange, M6-Gewinde, Länge 63,5 mm |
1 |
#58973 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 76,2 mm |
1 |
#58992 |
Stangenklemmring |
1 |
#16714 |
Schwalbenschwanzbühne, 30 mm quadratisch, metrisch |
1 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
1 |
Abbildung 5: Baugruppe Halterung für plankonkave Linse
Halterung für plankonvexe Linse
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#13787 |
Dünne Halterung, SM1, 25,0/25,4 mm Optikdurchmesser, M4 |
1 |
#62573 |
Plankonvexe Linse, 25,4 mm Durchmesser x 76,2 mm Brennweite, VIS-0°-beschichtet |
1 |
#58953 |
Edelstahlstange, M4-Gewinde, Länge 63,5 mm |
1 |
#58973 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 76,2 mm |
1 |
#58992 |
Stangenklemmring |
1 |
#16714 |
Schwalbenschwanzbühne, 30 mm quadratisch, metrisch |
1 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
1 |
Abbildung 6: Baugruppe Halterung für plankonvexe Linse
Halterung für Projektionslinse
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#13787 |
Dünne Halterung, SM1, 25,0/25,4 mm Optikdurchmesser, M4 |
1 |
#47917 |
Doppelkonkave Linse, 25 mm Durchmesser x -25 mm Brennweite, VIS-0°-beschichtet |
1 |
#58953 |
Edelstahlstange, M4-Gewinde, Länge 63,5 mm |
1 |
#58973 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 76,2 mm |
1 |
#58992 |
Stangenklemmring |
1 |
#16714 |
Schwalbenschwanzbühne, 30 mm quadratisch, metrisch |
1 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
1 |
Abbildung 7: Baugruppe Halterung für Projektionslinse
Aufgehängte Halterung mit Spiegel (Set mit 2)
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#54999 |
Präzise aufgehängte Halterung, 25/25,4 mm Optikdurchmesser |
2 |
#64015 |
λ/10-Spiegel, 25 mm D., Enhanced-Aluminium-Beschichtung |
2 |
#59759 |
Edelstahlstange, M6-Gewinde, Länge 50,8 mm |
2 |
#58972 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 50,8 mm |
2 |
#58992 |
Stangenklemmring |
2 |
#66393 |
Bühne 30 mm, metr. Mikrometer, seitl. Verstell., ohne Durchbohrung, 0,5" Verstellweg |
2 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
2 |
Abbildung 8: Baugruppe aufgehängte Halterung mit Spiegel
Aufgehängte Halterung mit Strahlteiler (Set mit 2)
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#54999 |
Präzise aufgehängte Halterung, 25/25,4 mm Optikdurchmesser |
2 |
#34413 |
Keil-Strahlteilerplatte für den VIS-Bereich, 25 mm Durchmesser, 50R/50T |
2 |
#59759 |
Edelstahlstange, M6-Gewinde, Länge 50,8 mm |
2 |
#58972 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 50,8 mm |
2 |
#58992 |
Stangenklemmring |
2 |
#66393 |
Bühne 30 mm, metr. Mikrometer, seitl. Verstell., ohne Durchbohrung, 0,5" Verstellweg |
2 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
2 |
Abbildung 9: Baugruppe aufgehängte Halterung mit Strahlteiler
Gesamte Teileliste
Produktnr. |
Beschreibung |
Stückzahl |
#54641 |
Montageplatte 600 mm x 300 mm |
1 |
#54929 |
Optische Mikroschiene, 500 mm Länge |
2 |
#11164 |
Kompakter Reiter, 30 mm Länge x 35 mm Breite |
10 |
#16714 |
Schwalbenschwanzbühne, 30 mm quadratisch, metrisch |
6 |
#66393 |
Bühne 30 mm, metr. Mikrometer, seitl. Verstell., ohne Durchbohrung, 0,5" Verstellweg |
4 |
#58972 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 50,8 mm |
4 |
#58973 |
Stangenhalterung, M6-Gewinde, Länge 76,2 mm |
6 |
#58992 |
Stangenklemmring |
10 |
#59760 |
Edelstahlstange, M6-Gewinde, Länge 63,5 mm |
2 |
#58953 |
Edelstahlstange, M4-Gewinde, Länge 63,5 mm |
2 |
#59759 |
Edelstahlstange, M6-Gewinde, Länge 50,8 mm |
4 |
#58963 |
Edelstahlstange, 8 -32-Gewinde, 2,5“ Länge |
2 |
#86848 |
Coherent® StingRay™ Laserdiodenmodul 1231490 | 520 nm, 5 mW |
1 |
#59099 |
5 V universelle Stromversorgung |
1 |
#15866 |
Kinematische runde Optikhalterung der E-Serie 25/25,4 mm |
1 |
#18291 |
Adapter mit 19,1 mm Innendurchmesser (ID) E-Serie |
1 |
#53914 |
Gefasste Irisblende, 30,8 mm Außendurchmesser |
2 |
#64552 |
Optikhalterung, Optikdurchmesser 6,0 mm |
1 |
#48690 |
Plankonkave Linse, 6 mm Durchmesser x -15 mm Brennweite, VIS-0°-beschichtet |
1 |
#13787 |
Dünne Halterung, SM1, 25,0/25,4 mm Optikdurchmesser, M4 |
2 |
#62573 |
Plankonvexe Linse, 25,4 mm Durchmesser x 76,2 mm Brennweite, VIS-0°-beschichtet |
1 |
#47917 |
Doppelkonkave Linse, 25 mm Durchmesser x -25 mm Brennweite, VIS-0°-beschichtet |
1 |
#54999 |
Präzise aufgehängte Halterung, 25/25,4 mm Optikdurchmesser |
4 |
#64015 |
λ/10-Spiegel, 25 mm D., Enhanced-Aluminium-Beschichtung |
2 |
#34413 |
Keil-Strahlteilerplatte für den VIS-Bereich, 25 mm Durchmesser, 50R/50T |
2 |
Ausrichtung eines Mach-Zehnder-Interferometers
Laser, Blende und Linsen müssen auf die gleiche optische Achse ausgerichtet werden. Idealerweise sollte sich die optische Achse nicht ändern, auch wenn die Optiken entlang der Schiene bewegt werden. Eine Bühne, die auf dem Reiter der Schiene befestigt ist, ermöglicht die Verschiebung senkrecht zur optischen Schiene.
- Aufbau des Lasers
- Befestigen Sie den Laser (19,1 mm Durchmesser) über den Adapter #18291 auf #15866.
- Dies vereinfacht die Ausrichtung des Laserwinkels.
- Stellen Sie den Winkel der Halterung so ein, dass der Laserstrahl parallel zur optischen Achse verläuft.
Abbildung 10: Installation des Lasers
- Ausrichtung der optischen Achse des Lasers
- Verwenden Sie die Baugruppe mit der Blende, um die optische Achse aller Systemkomponenten konstant zu halten.
- Richten Sie den Laser auf die Mitte der Blende aus.
- Verschieben Sie die Blende auf der optischen Schiene und stellen Sie die kinematische Halterung so nach, dass der Laserstrahl über den gesamten Verstellbereich mittig auf der Blende bleibt.
Abbildung 11: Ausrichtung der optischen Achse des Lasers
- Ausrichtung der optischen Achse der plankonvexen Linse
- Richten Sie die optische Achse der plankonvexen Linse mit der langen Brennweite aus, während Sie die Linse nach links und rechts bewegen.
- Über die Stange können Sie die Höhe der Linse einstellen, über die Schwalbenschwanzbühne die optische Achse senkrecht zur Schiene.
Abbildung 12: Ausrichtung der optischen Achse der plankonvexen Linse mit langer Brennweite
- Ausrichtung der optischen Achse der plankonkaven Linse
- Setzen Sie die plankonkave Linse mit einer kurzen Brennweite in den optischen Pfad.
- Justieren Sie die optische Achse indem Sie die Linse nach links und rechts bewegen.
- Über die Stange können Sie die Höhe der Linse einstellen, über die Schwalbenschwanzbühne die optische Achse senkrecht zur Schiene.
Abbildung 13: Ausrichtung der optischen Achse der plankonkaven Linse mit kurzer Brennweite
- Ausrichtung der Linsen zur Strahlaufweitung
- Der Abstand zwischen den beiden Linsen sollte die Summe ihrer Brennweiten sein. In unserem Fall sollte der Abstand also 76,2 mm - 25 mm = 51,2 mm betragen.
- In unserem Anwendungshinweis Entwurf eines eigenen Strahlaufweiters aus Standard-Optikkomponenten erfahren Sie mehr über die Kombination von Linsen zur Vergrößerung des Strahldurchmessers auf eine gewünschte Größe.
- Es ist wichtig, beschichtete Linsen mit geringer Reflexion zu verwenden, um Streulicht zu vermeiden.
Abbildung 14: Positionierung der Baugruppe mit zwei Linsen vor der Blende zur Erzeugung eines Strahlaufweiters
- Ausrichtung von Spiegeln und Strahlteilern
- Die zwei optischen Weglängen müssen gleich (oder nahezu gleich) sein und die wieder zusammentreffenden Strahlen müssen sich überlagern, um Streifen zu erzeugen.
- Ein Strahlteiler wird in Position A gestellt, um den Laser in zwei Strahlengänge aufzuteilen und ein anderer Strahlteiler wird in Position D gestellt, um die Strahlen wieder zur kombinieren.
- Stellen Sie die Abstände so ein, dass die optischen Weglängen zwischen A-B-D und A-C-D gleich sind.
- Achten Sie darauf, dass die Kanten der Halterung für Spiegel/Strahlteiler nicht den Strahl blockieren.
- Der durch D transmittierte Strahl muss mit dem an D reflektierten Strahl überlappen.
- Justieren Sie die Spiegelpositionen und -winkel so, dass die zwei Strahlen direkt hinter D und auch entlang der Schiene hinter D (Abbildung 15) übereinander liegen.
Abbildung 15: Ausrichtung von Spiegeln und Strahlteilern
- Prüfung der Interferenzringe
- Eine zusätzliche vergrößernde Linse hinter D kann die Erkennung von Interferenzringen einfacher machen.
- Die Bühnenposition auf der optischen Schiene und die Ausrichtung der anderen Komponenten benötigt evtl. noch eine Feineinstellung, um Ringe zu sehen.
Abbildung 16: Fertiger Laboraufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers mit Standardkomponenten
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