マッハツェンダー干渉計の構築

マッハツェンダー干渉計とは？

マッハツェンダー干渉計は、平行な2本の光ビームの相対的な位相差を測定するシンプルな干渉計です。この位相差は、微小な変位、透過型オプティクスの透過波面誤差、透明材料の屈折率、風洞の空気の流れなどの測定に用いることができます。

マッハツェンダー干渉計は、レーザーなどのコヒーレント光源、2つのビームスプリッター、2つのミラーで構成されています (Figure 1およびFigure 2)。まず、光源を1つ目のビームスプリッターで2つの光路に分岐します。2つのビームはそれぞれ同じ光路長（進む距離×媒質の屈折率を）を持っています。それぞれのビームはミラーで反射し、2つ目のビームスプリッターで再結合されます。2本のビームの光路長に光源のコヒーレンス長以下の差があると、干渉縞が発生します。光源のコヒーレンス長はとても短いため、精密な部品の使用や、精密なアライメント作業がきわめて重要になります。 試料は光路のいずれかに配置することで測定が可能です。干渉縞の変化を観察することで、結果的に生じる光路長差を測定することができます。

Figure 1: マッハツェンダー干渉計の典型的な光学系の概略図。

Figure 2: エドモンド・オプティクスの在庫販売品で構成された卓上型マッハツェンダー干渉計システム。

エドモンド・オプティクスの在庫販売品を使用したシステム

Figure 2のようなシステムは、以下のガイドに従って組み立てることができます。 　

サブアッセンブリ

各光学サブアッセンブリは卓上ブレッドボードに追加し、オプティカルレールを介して光軸に沿って容易にスライドさせることができます。オプティカルレール用キャリアの上に配置された小型直動ステージは、光軸方向や直交方向の微調整を容易にします。

光学ベース

光源

Figure 3: 光源のサブアッセンブリ。

アイリス絞り

Figure 4: アイリス絞りのサブアッセンブリ。

平凹レンズマウント

Figure 5: 平凹レンズマウントのサブアッセンブリ。

平凸レンズマウント

Figure 6: 平凸レンズマウントのサブアッセンブリ。

投影用レンズマウント

Figure 7: 投影用レンズマウントのサブアッセンブリ。

ミラー付きジンバルマウント (2セット)

Figure 8: ジンバルマウント付きミラーサブアッセンブリ

ビームスプリッター付きジンバルマウント (2セット)

Figure 9: ジンバルマウント付きビームスプリッターサブアッセンブリ。

全部品のリスト

マッハツェンダー干渉計のアライメント

レーザー、アイリス、およびレンズは、正確に同じ光軸上に配置する必要があります。これらの部品は、オプティカルレール上を移動しても光軸が変わらないことが理想です。オプティカルレールのキャリア上にステージを設置し、レールに垂直な方向に水平移動できるようにします。

1. レーザーモジュールの取り付け
   • レーザーモジュール（φ19.1mm）をアダプター#18291で#15866 に固定します。
   • これにより、レーザーの角度を簡単に調整することができます。
   • レーザービームがオプティカルレールに対して水平になるように、マウントの角度を調整します。
   

   

   Figure 10: レーザーモジュールの取り付け

2. レーザーの光軸のアライメント
   • アイリスサブアッセンブリを使用して、システムのすべての部品の光軸の中心を一定に保つことができます。
   • アイリスの中心にレーザーを照射します。
   • アイリスをオプティカルレールにスライドさせながらキネマティックマウントを調整し、全領域でレーザーがアイリスの中心に来るようにします。
   
   

   Figure 11: レーザーの光軸のアライメント

3. 平凸レンズの光軸のアライメント
   • 焦点距離の長い平凸レンズは、レンズユニットを左右にスライドさせながら光軸を調整します。
   • ポストでレンズの高さを調整し、アリ溝ステージで光軸を垂直方向に調整します。
   
   

   Figure 12: 焦点距離の長い平凸レンズの光軸のアライメント。

4. 平凹レンズの光軸のアライメント
   • 焦点距離の短い平凹レンズを光路に配置します。
   • レンズユニットを左右にスライドさせながら、光軸を調整します。
   • ポストでレンズの高さを調整し、アリ溝ステージで光軸を垂直方向に調整します。
   
   

   Figure 13: 焦点距離の短い平凹レンズの光軸のアライメント。

5. ビームエキスパンダーを形成するレンズの位置決め
   • 2つのレンズは、焦点距離の和で分割する必要があります。この場合、その距離は76.2mm - 25mm = 51.2mmとなります。
   • ビーム径を任意のサイズに拡大するためのレンズの組み合わせについては、「在庫販売品オプティクスを用いてあなた仕様のビームエキスパンダーを構築する」をご覧ください。
   • 迷光を避けるためには、反射率の低いコーティングレンズを選択することが重要です。
   
   

   Figure 14: 2つのレンズサブアッセンブリをアイリスの前に配置し、ビームエキスパンダーを形成する。

6. ミラーとビームスプリッターのアライメント
   • 干渉縞を得るには、2 つの光路長を等しく (またはほぼ等しく)、更に合波後のビームが重なり合う必要があります。
   • Aに1つ目のビームスプリッターを配置し、レーザーを2つに分割します。ビームを再結合させるために、もう1つのビームスプリッターをDに配置します。
   • A-B-D の光路長と A-C-D の光路長が同じになるように配置してください。
   • このとき、ミラー/ビームスプリッターマウントのエッジがビームを遮らないように注意する必要があります。
   • Dで反射するビームとDを透過するビームが重なるようにします。
   • D付近とDから遠い2点でビームが重なるように2つのミラーの位置と角度を調整してください (Figure 5)。
   
   

   Figure 15: ミラーとビームスプリッターのアライメント。

7. 干渉縞のチェック
   • Dの後に拡大レンズを加えると、干渉縞を識別しやすくなります。
   • 干渉縞を得るためにオプティカルレール上のステージ位置とミラーマウント角度の微調整が必要になります。
   
   

   Figure 16: エドモンド・オプティクスの在庫販売品で構成されたマッハツェンダー干渉計セットアップの完成形。

その他の資料

• 在庫販売品オプティクスを用いてあなた仕様のビームエキスパンダーを構築する
• 在庫品オプティクスを用いてデザインする際の5つのヒント
• レーザーオプティクスに対する測量
• 在庫販売品を用いて“あなた仕様”の光アイソレーターを構築する
• 光学ケージシステムアプリケーション： マイケルソン干渉計