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
#86878	Coherent® CDRH-konformes Steuergerät mit Schlüssel & 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
#72774	Edelstahlstange, M6- und 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

Irisblende

Produktnr.	Beschreibung	Stückzahl
#53914	Gefasste Irisblende, 30,8 mm Außendurchmesser	2
#72784	Edelstahlstange, 8-32- und ¼-20-Gewinde, Länge 2,5"	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

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
#72774	Edelstahlstange, M6- und 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

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
#72764	Edelstahlstange, M4- und 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

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
#72764	Edelstahlstange, M4- und 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

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
#72773	50.8mm Length, M6 and M6, Steel Post	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
#72773	50.8mm Length, M6 and M6, Steel Post	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
#72784	Edelstahlstange, 8-32- und ¼-20-Gewinde, Länge 2,5"	2
#86848	Coherent^® StingRay™ Laserdiodenmodul 1231490 \| 520 nm, 5 mW	1
#86878	Coherent® CDRH-konformes Steuergerät mit Schlüssel & 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