Construire un interféromètre de Michelson au labo : guide d'assemblage et d'alignement

Qu'est-ce qu'un interféromètre de Michelson ?

Un interféromètre de Michelson est un dispositif optique utilisé pour mesurer de très petites distances, des changements d'indice de réfraction ou des longueurs d'onde de la lumière. Il a une conception interférométrique simple comprenant une source de lumière cohérente, un séparateur de faisceau et deux miroirs. Ce dispositif divise d'abord la source de lumière cohérente à l'aide du séparateur de faisceau. Les deux faisceaux parcourent des distances légèrement différentes avant d’être reflétés par les miroirs et de revenir dans le séparateur de faisceau, où les deux faisceaux se recombinent. Si la différence entre les longueurs de trajet des deux faisceaux est inférieure à la longueur de cohérence de la source, des franges d'interférence sont générées et peuvent être utilisées pour mesurer avec précision les caractéristiques mentionnées ci-dessus. Comme la longueur de cohérence d'une source peut être extrêmement courte, la précision des composants et l'alignement sont essentiels.

Construire un interféromètre de Michelson avec des composants de laboratoire standard

Cette note d'application décrit une installation de laboratoire d'un interféromètre de Michelson utilisant des composants facilement disponibles d'Edmund Optics^®. Conçue comme une solution rapide et économique, cette installation permet de réaliser un interféromètre de Michelson dans pratiquement n'importe quel environnement de laboratoire. Tous les composants nécessaires peuvent être obtenus auprès d'un seul fournisseur, ce qui simplifie l'approvisionnement. La version laboratoire d'un interféromètre de Michelson permet de démontrer le principe de base de l'interférométrie, qui est largement utilisé dans les sciences et l'industrie.

Liste des pièces de l'interféromètre de Michelson

Le tableau suivant fournit une liste de tous les produits nécessaires à l'installation de votre interféromètre de Michelson, avec le numéro de stock et la quantité correspondants :

Assemblages	Produits nécessaires à ce module	Numéro de stock Edmund Optics	Quantité requise
Base optique	Rail optique compact, 100 mm de longueur	54-927	5
Base optique	Table optique, 300 x 300 mm	54-638	1
Assemblages de tiges	Cavalier compact, longueur 15 mm x largeur de 35 mm	54-930	5
	Support de tiges, longueur 50,8 mm, filetage M6	58-972	5
	Tige en acier, longueur 76,2 mm, filetage mâle M6	59-761	5
Assemblage du séparateur de faisceau	Support de prisme	53-030	1
Assemblage du séparateur de faisceau	Cube séparateur de faisceau, 25 mm, 50R/50T	32-505	1
Assemblage laser	Monture cinématique E-Series, dia. optique 25,0/25,4 mm	15-866	1
	Adaptateur E-Series, 19,1 mm de DI	18-291	1
	Laser 520 nm, 10 mW ou 1 mW	26-938 (10 mW) ou 72-817 (1 mW)	1
Assemblage de miroirs	Monture cinématique E-Series, dia. optique 25,0/25,4 mm	15-866	2
Assemblage de miroirs	Miroir λ/10, diamètre 25,4 mm, argent protégé	39-208	2
Assemblage d’écran d’observation	Monture étroite SM2, dia. optique 50,0/50,8 mm	17-716	1
Assemblage d’écran d’observation	Verre diffusant blanc	34-475	1
Assemblage de l'expanseur de faisceau	Monture étroite SM1, dia. optique 25,0/25,4 mm	13-787	1
Assemblage de l'expanseur de faisceau	Lentille plan-concave (PCV), 25 mm de dia., -25 FL, traitement VIS 0°	47-911	1

Instructions étape par étape : Construire un interféromètre de Michelson pour les expériences en laboratoire

Étape 1 – La base optique

Assembler les rails optiques compacts d'une longueur de 100 mm sur la table optique comme indiqué dans la Figure 1. La partie continue du rail sera le chemin optique contenant le miroir, le séparateur de faisceau, l'expanseur de faisceau et l’écran d'observation.

**Figure 1 :** Rails optiques compacts montés sur une table optique.

Étape 2 – Assemblage des tiges

Ensuite, il faut assembler les supports de tiges : Montez les cinq supports de tiges TECHSPEC^® sur les cavaliers compacts à l'aide de vis à tête cylindrique (M6x1,0) comme indiqué dans la Figure 2. La Figure 3 montre l'assemblage terminé.

**Figure 2 :** Vis à tête creuse reliant le support de tiges et le cavalier compact.

**Figure 3 :** Support de tige monté sur un cavalier compact.

Étape 3 – L’assemblage du laser

Pour l'assemblage du laser, monter l'adaptateur DI E-Series dans la monture cinématique E-Series , puis insérer le laser et serrer la vis de réglage, comme indiqué dans la Figure 4. Le laser portant le numéro de stock 26-938 recommandé dans le tableau ci-dessus est vendu en tant que 10 mW. Pour des raisons de sécurité, vous pouvez utiliser le logiciel laser pour réduire la puissance de sortie à seulement 1 mW. Lors de l'examen des options, vous pourriez trouver qu'un laser à diode rouge ou un laser comparable de faible puissance comme le numéro de stock 72-817 est également un choix approprié en fonction de la disponibilité et des contraintes budgétaires. Il convient de noter que les lasers à diode possèdent une cohérence adéquate pour les démonstrations à caractère didactique, comme vous le verrez dans cette expérience. La Figure 5 montre l'assemblage du laser monté sur une tige.

**Figure 4 :** Laser monté dans une monture cinématique.

**Figure 5 :** Tige fixée à la monture cinématique avec le laser.

Étape 4 – Assemblage des miroirs

Pour les assemblages de miroirs, utilisez une vis de réglage pour fixer les optiques en place dans les Montures Cinématiques E-Series. Fixer les tiges aux montures cinématiques. Vous pouvez envisager d'utiliser des cols de tiges TECHSPEC^® (numéro de stock 58-992) pour un remontage rapide comme indiqué dans la Figure 6.

**Figure 6 :** Tige fileté M6 avec col de tige vissé dans la monture cinématique E-Series avec miroir.

Étape 5 – Montage des assemblages laser et miroir

Vous pouvez maintenant monter l'ensemble laser et l'un des ensembles de miroirs sur les rails en face l'un de l'autre, comme le montre la Figure 7.

**Figure 7 :** Alignement du premier miroir.

Ajustez les vis de la monture pour aligner le miroir et renvoyer le faisceau vers le laser. Essayez de faire en sorte que le miroir soit aussi perpendiculaire que possible par rapport au laser. Dans cette configuration, une légère réflexion dans le laser à diode n'est pas trop préjudiciable, car la puissance du laser n'est pas très élevée.

Ensuite, déplacez le premier miroir sur le chemin du rail continu. Le col de tige permet de maintenir la hauteur constante lors de l'alignement du second miroir. Utilisez le laser pour répéter le processus d'alignement pour le deuxième miroir (voir Figure 8).

**Figure 8 :** Alignement du deuxième miroir.

Étape 6 – Assemblage du séparateur de faisceau

Il faut maintenant assembler la monture du cube séparateur de faisceau. Le support de prisme portant le numéro de stock 53-030 d'Edmund Optics^® nécessite un adaptateur de filetage 1/4-20 afin d'être monté sur le tige (voir Figure 9). Veillez à utiliser des doigtiers lorsque vous manipulez le cube séparateur de faisceau TECHSPEC^® pour éviter la saleté et les empreintes digitales.

**Figure 9 :** Le support de prisme est partiellement vissée au tige à l'aide d'un adaptateur à filetage 1/4-20.

L'emplacement du cube séparateur de faisceau est illustré à la Figure 10, où 50% de la lumière est reflété de l'hypoténuse et sur le premier miroir à 90 degrés. Déplacez la partie supérieure de la monture du séparateur de faisceau vers le milieu du séparateur de faisceau et serrez soigneusement le cube (Figure 11).

**Figure 10 :** Placement du cube séparateur de faisceau.

**Figure 11 :** Support de prisme avec pince en place.

Étape 7 – Assemblage de l'expanseur de faisceau

Assemblez ensuite l'expanseur de faisceau et l'écran d’observation (l'assemblage complet est illustré à la Figure 12). Une fois assemblés, placez les deux cavaliers et les supports de tiges après le séparateur de faisceau et ajoutez d'abord l'écran d’observation. Assurez-vous que les deux faisceaux sont approximativement sur l'écran avant de placer la lentille d'expansion entre le séparateur de faisceau et l'écran.

**Figure 12 :** Verre diffusant blanc monté dans une monture optique fine.

La Figure 13 montre la configuration finale. Ajustez les boutons cinématiques des miroirs pour aligner les deux faisceaux et observez la figure d'interférence sur l'écran d’observation.

**Figure 13 :** Configuration finale et alignement.

Ajustements finaux

Lorsque les deux miroirs sont parfaitement alignés, de sorte que leurs surfaces sont exactement perpendiculaires l'une à l'autre, les différences de chemin optique entre les surfaces des miroirs restent constantes. L'observateur voit donc une figure d'interférence composée d'anneaux concentriques ou franges d’interférence. Lorsque l'un des miroirs est déplacé le long du rail, la longueur du trajet change, ce qui entraîne un déplacement des franges. Ce déplacement de la figure d'interférence peut être utilisé pour mesurer les changements dans la longueur du chemin optique. Si une cellule de gaz est insérée dans l'un des bras, le déplacement du motif peut être analysé pour déterminer l'indice de réfraction du gaz. Les indices de réfraction d'autres matériaux peuvent également être mesurés selon des principes similaires, bien que les procédures d'installation et de mesure deviennent plus complexes. Pour mesurer la longueur d'onde, utilisez l'équation suivante : λ=2⋅Δd / N, où λ est la longueur d'onde inconnue, Δd est le déplacement du miroir et N est le nombre de franges brillantes ou sombres observées.

Si vous recherchez des informations plus détaillées sur l'interférométrie ou les interféromètres, veuillez suivre les liens situés en dessous de cette note d'application. Pour toute question veuillez nous contacter.

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