如何搭建馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）
什麼是馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）？
馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）是一種簡易干涉測量儀器，用於測量兩束準直光束之間的相位偏差。這種相位偏差可用於確定小位移、穿透式光學元件的穿透波前誤差、透明材料的折射率、風洞中的空氣流動等等。
馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）由一個相干光源（雷射等）、兩個分光鏡和兩個反射鏡組成（圖1 和 圖2）。首先，利用第一個分光鏡將光源分成兩路。這兩束光各自具有相同的光路長度，即行進的距離乘以經過介質的折射率。每個光束從一個反射鏡上反射出來，並由第二個分光鏡重新組合。如果兩束光的光路長度之差小於光源的相干長度，就會產生干涉條紋。由於光源的相干長度可能極短，因此部件的精密度和對準是至關重要的。樣品可以放在其中一個光束路徑上進行測量。由此產生的光路長度差可以透過觀察干涉條紋的變化來測量。
圖 1：馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）的典型光學原理圖
圖 2：採用愛特蒙特光學（Edmund Optics®）公司的現成部件組裝的臺式馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）系統
採用 Edmund Optics®公司的現成部件組裝系統
類似 圖 2所示的系統可以按照以下指南進行組裝。
子模組
每個光學子模組均可添加到桌面麵包板上，並透過光學導軌輕鬆沿光軸滑動。放置在光軌載體上的小型線性運動平臺可輕鬆在光軸方向或正交方向進行微調。
光學底座
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #03640 |
麵包板，24英吋×12英吋 |
1 |
| #54929 |
緊湊型光學導軌，500mm長度 |
2 |
光源模組
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #86848 |
Coherent（Coherent®） StingRay™ 雷射二極體模組 1231490 | 520nm, 5mW |
1 |
| #59099 |
5V 通用電源 |
1 |
| #18291 |
E 系列 19.1mm 內徑轉接座 |
1 |
| #15866 |
E 系列動態鏡座，25.0/25.4mm 光學直徑 |
1 |
| #59760 |
不銹鋼接桿，長度 63.5mm，M6 螺釘 |
1 |
| #58973 |
接桿固定架，M6 螺紋，長度 76.2mm |
1 |
| #58992 |
接桿套管 |
1 |
| #16714 |
鳩尾臺，30mm方形尺寸，公制 |
1 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
1 |
圖 3：光源模組
可變光闌
圖 4：可變光圈模組
平凹透鏡鏡座
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #64552 |
透鏡鏡座，相容 6.0mm 直徑的光學元件 |
1 |
| #48690 |
平凹透鏡，6mm直徑 x-15 焦距，VIS 0°鍍膜 |
1 |
| #59760 |
不銹鋼接桿，長度 63.5mm，M6 螺釘 |
1 |
| #58973 |
接桿固定架，長度 76.2mm，M6 螺紋 |
1 |
| #58992 |
接桿套管 |
1 |
| #16714 |
鳩尾形平臺，30mm方形尺寸，公制 |
1 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
1 |
圖 5：平凹透鏡鏡座模組
平凸透鏡鏡座
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #13787 |
25.0/25.4mm 光學直徑, SM1 薄型鏡架, M4 |
1 |
| #62573 |
平凸透鏡，25.4mm直徑 x 76.2mm焦距，VIS 0°鍍膜 |
1 |
| #58953 |
不銹鋼接桿，長度63.5mm，M4螺釘 |
1 |
| #58973 |
接桿固定架，長度 76.2mm，M6 螺紋 |
1 |
| #58992 |
接桿套管 |
1 |
| #16714 |
鳩尾形平臺，30mm方形尺寸，公制 |
1 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
1 |
圖 6：平凸透鏡鏡座模組
投影透鏡鏡座
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #13787 |
25.0/25.4mm 光學直徑, SM1 薄型鏡架, M4 |
1 |
| #47917 |
雙凹透鏡，25mm直徑 x -25mm焦距，VIS 0°鍍膜 |
1 |
| #58953 |
不銹鋼接桿，長度63.5mm，M4螺釘 |
1 |
| #58973 |
接桿固定架，長度 63.5mm，M4 螺釘 |
1 |
| #58992 |
接桿套管 |
1 |
| #16714 |
鳩尾形平臺，30mm方形尺寸，公制 |
1 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
1 |
圖 7：投影透鏡鏡座模組
帶反射鏡的萬向調整架（ 2套 ）
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #54999 |
精密萬向調整架，25.0/25.4mm 光學直徑 |
2 |
| #64015 |
λ/10 波長反射鏡，25mm 直徑， 增強性鋁膜 |
2 |
| #59759 |
不銹鋼接桿，長度 50.8mm，M6 螺釘 |
2 |
| #58972 |
接桿固定架，長度 50.8mm，M6 螺紋 |
2 |
| #58992 |
接桿套管 |
2 |
| #66393 |
公制測微器，30mm，側面驅動，標準頂部，0.5英吋行程 |
2 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
2 |
圖 8：帶反射鏡的萬向調整架模組
帶分光鏡的萬向調整架（2套）
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #54999 |
精密萬向調整架，25.0/25.4mm 光學直徑 |
2 |
| #34413 |
VIS 楔形分光平片，25mm直徑 50R/50T |
2 |
| #59759 |
不銹鋼接桿，長度 50.8mm，M6 螺釘 |
2 |
| #58972 |
接桿固定架，長度 50.8mm，M6 螺紋 |
2 |
| #58992 |
接桿套管 |
2 |
| #66393 |
公制測微器，30mm，側面驅動，標準頂部，0.5英吋行程 |
2 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
2 |
圖 9：帶分光鏡的萬向調整架模組
完整的部件清單
| 產品編碼 # |
產品描述 |
數量 |
| #03640 |
麵包板，24英吋×12英吋 |
1 |
| #54929 |
緊湊型光學導軌，500mm長度 |
2 |
| #11164 |
緊湊型載重架，長30mm x 寬35mm |
10 |
| #16714 |
鳩尾形平臺，30mm方形尺寸，公制 |
6 |
| #66393 |
公制測微器，30mm，側面驅動，標準頂部，0.5英吋行程 |
4 |
| #58972 |
接桿固定架，長度 50.8mm，M6 螺紋 |
4 |
| #58973 |
接桿固定架，長度 76.2mm，M6 螺紋 |
6 |
| #58992 |
接桿套管 |
10 |
| #59760 |
不銹鋼接桿，長度63.5mm，M6螺釘 |
2 |
| #58953 |
不銹鋼接桿，長度 63.5mm，M4 螺釘 |
2 |
| #59759 |
不銹鋼接桿，長度 50.8mm，M6 螺釘 |
4 |
| #58963 |
不銹鋼接桿，長度2.5英吋，8-32螺釘 |
2 |
| #86848 |
Coherent（Coherent®） StingRay™ 雷射二極體模組 1231490 | 520nm, 5mW |
1 |
| #59099 |
5V 通用電源 |
1 |
| #15866 |
E 系列動態鏡座，25.0/25.4mm 光學直徑 |
1 |
| #18291 |
E 系列 19.1mm 內徑適配器 |
1 |
| #53914 |
可變光圈座，30.8mm 外徑 |
2 |
| #64552 |
透鏡鏡座，相容 6.0mm 直徑的光學元件 |
1 |
| #48690 |
平凹透鏡，6mm直徑 x-15 焦距，VIS 0°鍍膜 |
1 |
| #13787 |
25.0/25.4mm 光學直徑, SM1 薄型鏡架, M4 |
2 |
| #62573 |
平凸透鏡，25.4mm直徑 x 76.2mm焦距，VIS 0°鍍膜 |
1 |
| #47917 |
25mm Dia. x -25mm FL, VIS 0°鍍膜, 雙凹透鏡 |
雙凹透鏡，25mm直徑 x -25mm焦距，VIS 0°鍍膜 |
| #54999 |
精密萬向調整架，25.0/25.4mm 光學直徑 |
4 |
| #64015 |
λ/10 波長反射鏡，25mm 直徑， 增強性鋁膜 |
2 |
| #34413 |
VIS 楔形分光平片，25mm直徑 50R/50T |
2 |
馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）的對準
雷射光源、光圈和透鏡必須對準同一光軸。理想情況下，這些元件即使在光軌上平移，其光軸也應不變。安裝在光學導軌載體上的平臺可以實現垂直於導軌方向的水平運動。
- 安裝雷射模組
- 使用轉接座（#18291）將雷射模組（直徑Φ19.1mm）固定在 #15866 上。
- 可輕鬆調整雷射角度。
- 調整支架的角度，使雷射光束與光軌平行。
- 對準雷射的光軸
- 使用光圈模組來保持系統所有元件的光軸中心不變。
- 將雷射照射到光圈的中心。
- 將光圈沿光學導軌滑下，同時對動態鏡座進行調整，使雷射在整個範圍內均保持在光圈中心。
圖 11：對準雷射的光軸
- 對準平凸透鏡的光軸
- 左右滑動透鏡單元的同時，調整長焦距平凸透鏡的光軸。
- 用接桿來調整透鏡的高度，用鳩尾臺來調整垂直方向的光軸。
圖 12：將平凸透鏡的光軸與長焦距對齊
- 對準平凹透鏡的光軸
- 在光路中放置一個短焦距的平凹透鏡。
- 左右滑動透鏡單元的同時調整光軸。
- 用接桿來調整透鏡的高度，用鳩尾臺來調整垂直方向的光軸。
圖 13：將平凹透鏡的光軸與短焦距對齊
- 定位透鏡以形成擴束鏡
- 兩個透鏡應以其焦距之和間隔分開。在這種情況下，間隔應該是76.2mm-25mm=51.2mm。
- 如要瞭解更多配對透鏡將光束直徑擴大到所需尺寸的相關資訊，請參閱另一篇 應用說明《如何利用現貨光學元件設計擴束鏡》。
- 選擇反射率較低的鍍膜透鏡對避免雜散光有重要意義。
圖 14：將兩個透鏡元件放在光圈前，形成擴束鏡
- 對準反射鏡和分光鏡
- 兩條光路的長度必須相等（或幾乎相等），且最後的光束必須重疊才能獲得條紋。
- 在位置 A 處放置分光鏡將雷射分成兩路，在位置 D 處放置另一分光鏡將光束重新合束。
- 調整距離，使A-B-D和A-C-D的光路長度相同。
- 必須注意防止反射鏡/分光鏡鏡座邊緣遮擋光束。
- 穿透D的光束必須與在D處反射的光束相重合。
- 調整反射鏡的位置和角度，使兩束光在D之後以及D之後的軌道上進一步重疊（圖 15）。
圖 15：對準反射鏡和分光鏡
- 檢查干涉條紋的情況
- 在D之後添加一個放大鏡可以更容易識別邊緣。
- 平臺在光軌上的位置與其他元件可能需要對準微調，以獲得條紋
圖 16：使用現成元件組裝的馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer）的最終裝置
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