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Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers

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.

Typischer Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers
Abbildung 1: Typischer Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers
Laboraufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers mit Standardkomponenten von Edmund Optics
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
Baugruppe Lichtquelle
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
Baugruppe Irisblende
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
Baugruppe Halterung für plankonkave Linse
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
Baugruppe Halterung für plankonvexe Linse
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
Baugruppe Halterung für Projektionslinse
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
Baugruppe aufgehängte Halterung mit Spiegel
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
Baugruppe aufgehängte Halterung mit Strahlteiler
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.

  1. 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.
    Installation des Lasers
    Installation des Lasers
    Abbildung 10: Installation des Lasers
  2. 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.
    Ausrichtung der optischen Achse des Lasers
    Abbildung 11: Ausrichtung der optischen Achse des Lasers
  3. 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.
    Ausrichtung der optischen Achse der plankonvexen Linse mit langer Brennweite
    Abbildung 12: Ausrichtung der optischen Achse der plankonvexen Linse mit langer Brennweite
  4. 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.
    Ausrichtung der optischen Achse der plankonkaven Linse mit kurzer Brennweite
    Abbildung 13: Ausrichtung der optischen Achse der plankonkaven Linse mit kurzer Brennweite
  5. 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.
    Positionierung der Baugruppe mit zwei Linsen vor der Blende zur Erzeugung eines Strahlaufweiters
    Abbildung 14: Positionierung der Baugruppe mit zwei Linsen vor der Blende zur Erzeugung eines Strahlaufweiters
  6. 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.
    Ausrichtung von Spiegeln und Strahlteilern
    Abbildung 15: Ausrichtung von Spiegeln und Strahlteilern
  7. 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.
    Fertiger Laboraufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers mit Standardkomponenten
    Abbildung 16: Fertiger Laboraufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers mit Standardkomponenten

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