Construire un interféromètre de Mach-Zehnder

Qu'est-ce qu'un interféromètre de Mach-Zehnder ?

Les interféromètres de Mach-Zehnder sont des appareils interférométriques simples qui mesurent le déphasage relatif entre deux faisceaux lumineux collimatés. Ce déphasage peut être utilisé pour déterminer de petits déplacements, l'erreur de front d'onde transmis des optiques à transmission, l'indice de réfraction des matériaux transparents, le flux d'air dans les souffleries, etc.

Les interféromètres de Mach-Zehnder sont constitués d'une source de lumière cohérente comme un laser, de deux diviseurs de faisceau et de deux miroirs (Figure 1 et Figure 2). Tout d'abord, la source lumineuse est divisée en deux chemins à l'aide du premier séparateur de faisceau. Les deux faisceaux ont chacun la même longueur de trajet optique, qui correspond à la distance parcourue multipliée par l'indice de réfraction du milieu qu'ils traversent. Chaque faisceau se réfléchit sur un miroir et est recombiné par le second séparateur de faisceau. Si la différence entre les longueurs des chemins optiques des deux faisceaux est inférieure à la longueur de cohérence de la source lumineuse, des franges d'interférence seront générées. Comme la longueur de cohérence d'une source peut être extrêmement courte, la précision des composants et de l'alignement est essentielle. Un échantillon peut être mesuré en étant placé dans l'un des trajectoires du faisceau. La différence de longueur du chemin optique qui en résulte peut être mesurée en observant la modification des franges d'interférence.

Figure 1 : Schéma optique typique d'un interféromètre Mach-Zehnder

Système d'interféromètre Mach-Zehnder de paillasse assemblé, construit à partir de composants standards d’Edmund Optics

Figure 2 : Système d'interféromètre Mach-Zehnder de paillasse assemblé, construit à partir de composants standard d'Edmund Optics^®

Assemblage du système à l'aide de composants standards d'Edmund Optics^®

Un système comme celui de la Figure 2 peut être assemblé en suivant le guide ci-dessous.

Sous-ensembles

Chaque sous-ensemble optique peut être ajouté à une table optique et glissé facilement le long de l'axe optique grâce à des rails optiques. La petite platine à mouvement linéaire placée sur le support du rail optique permet d'effectuer facilement des réglages fins dans la direction de l'axe optique ou dans la direction orthogonale.

Base optique

N° de stock	Description	Quantité
#54641	Table Optique 600 mm x 300 mm	1
#54929	Rail Optique Compact, 500 mm de longueur	2

Source de lumière :

N° de stock	Description	Quantité
#86848	Modules Diode Laser StingRay™ 1231490 \| 520 nm, 5 mW de Coherent^®	1
#59099	Alimentation d’Énergie Universelle 5 V	1
#18291	Adaptateur E-Series, 19,1 mm de DI	1
#15866	Monture Cinématique E-Series, 25,0/25,4 mm de Dia. Optique	1
#59760	Tige en Acier, 63,5 mm de Longueur, Filetage M6	1
#58973	Support de Tiges, 76,2 mm de Longueur, Filetage M6	1
#58992	Collier de Serrage de Tige	1
#16714	Platine Queue d’Aronde, 30 mm x 30 mm, Métrique	1
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	1

Figure 3 : Sous-ensemble de la source de lumière

Diaphragme à iris

N° de stock	Description	Quantité
#53914	Diaphragme à Iris Monté, 30,8 mm de Diamètre Extérieur	2
#58963	Tige en Acier, 2,5" de Longueur, Filetage 8-32	2
#58973	Support de Tiges, 76,2 mm de Longueur, Filetage M6	2
#58992	Collier de Serrage de Tige	2
#16714	Platine Queue d’Aronde, 30 mm x 30 mm, Métrique	2
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	2

Figure 4 : Sous-ensemble du diaphragme à iris

Monture de lentille plan-concave

N° de stock	Description	Quantité
#64552	Monture Optique pour Composants Optiques de 6,0 mm de dia.	1
#48690	Lentille Plan-Concave Traitée VIS 0°, 6 mm de Dia. x -15 FL	1
#59760	Tige en Acier, 63,5 mm de Longueur, Filetage M6	1
#58973	Support de Tiges, 76,2 mm de Longueur, Filetage M6	1
#58992	Collier de Serrage de Tige	1
#16714	Platine Queue d’Aronde, 30 mm x 30 mm, Métrique	1
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	1

Figure 5 : Sous-ensemble de la monture de lentille plan-concave

Monture de lentille plan-convexe

N° de stock	Description	Quantité
#13787	Monture Étroite SM1, 25,0/25,4 mm de dia. optique, M4	1
#62573	Lentille Plan-Convexe Traitée VIS 0°, 25,4 mm de dia. x 76,2 mm FL	1
#58953	Tige en Acier, 63,5 mm de Longueur, Filetage M4	1
#58973	Support de Tiges, 76,2 mm de Longueur, Filetage M6	1
#58992	Collier de Serrage de Tige	1
#16714	Platine Queue d’Aronde, 30 mm x 30 mm, Métrique	1
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	1

Figure 6 : Sous-ensemble de la monture de lentille plan-convexe

Monture de la lentille de projection

N° de stock	Description	Quantité
#13787	Monture Étroite SM1, 25,0/25,4 mm de dia. optique, M4	1
#47917	Lentille Biconcave Traitée VIS 0°, 25 mm de dia. x -25 mm FL	1
#58953	Tige en Acier, 63,5 mm de Longueur, Filetage M4	1
#58973	Support de Tiges, 76,2 mm de Longueur, Filetage M6	1
#58992	Collier de Serrage de Tige	1
#16714	Platine Queue d’Aronde, 30 mm x 30 mm, Métrique	1
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de longueur x 35 mm de largeur	1

Figure 7 : Sous-ensemble de la monture de lentille de projection

Support à cardan avec miroir (set de 2)

N° de stock	Description	Quantité
#54999	Monture de Précision à Cardan, 25,0/25,4 mm de dia. optique	2
#64015	Miroir λ/10 Traité Aluminium Amélioré, 25 mm de Dia.	2
#59759	Tige en Acier, 50,8 mm de Longueur, Filetage M6	2
#58972	Support de Tiges, 50,8 mm de Longueur, Filetage M6	2
#58992	Collier de Serrage de Tige	2
#66393	Micromètre Métrique, 30 mm, Entraînement Latéral, Dessus sans Trou, Course de 0,5"	2
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	2

Figure 8 : Monture de cardan avec sous-ensemble miroir

Monture de cardan avec séparateur de faisceau (set de 2)

N° de stock	Description	Quantité
#54999	Monture de Précision à Cardan, 25,0/25,4 mm de dia. optique	2
#34413	Lame Séparatrice VIS à Coin, 25 mm de diamètre, 50R/50T	2
#59759	Tige en Acier, 50,8 mm de Longueur, Filetage M6	2
#58972	Support de Tiges, 50,8 mm de Longueur, Filetage M6	2
#58992	Collier de Serrage de Tige	2
#66393	Micromètre Métrique, 30 mm, Entraînement Latéral, Dessus sans Trou, Course de 0,5"	2
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	2

Figure 9 : Monture de cardan avec sous-ensemble de séparateur de faisceau

Liste complète des pièces

N° de stock	Description	Quantité
#54641	Table optique 600 mm x 300 mm	1
#54929	Rail Optique Compact, 500 mm de longueur	2
#11164	Cavalier Compact, 30 mm de Longueur x 35 mm de Largeur	10
#16714	Platine Queue d’Aronde, 30 mm x 30 mm, Métrique	6
#66393	Micromètre Métrique, 30 mm, Entraînement Latéral, Dessus sans Trou, Course de 0,5"	4
#58972	Support de Tiges, 50,8 mm de Longueur, Filetage M6	4
#58973	Support de Tiges, 76,2 mm de Longueur, Filetage M6	6
#58992	Collier de Serrage de Tige	10
#59760	Tige en Acier, 63,5 mm de Longueur, Filetage M6	2
#58953	Tige en Acier, 63,5 mm de Longueur, Filetage M4	2
#59759	Tige en Acier, 50,8 mm de Longueur, Filetage M6	4
#58963	Tige en Acier, 2,5" de Longueur, Filetage 8-32	2
#86848	Modules Diode Laser StingRay™ 1231490 \| 520 nm, 5 mW de Coherent^®	1
#59099	Alimentation d’Énergie Universelle 5 V	1
#15866	Monture Cinématique E-Series, 25,0/25,4 mm de Dia. Optique	1
#18291	Adaptateur 19,1 mm DI E-Series	1
#53914	Diaphragme à Iris Monté, 30,8 mm de Diamètre Extérieur	2
#64552	Monture Optique pour Composants Optiques de 6,0 mm de dia.	1
#48690	Lentille Plan-Concave Traitée VIS 0°, 6 mm de Dia. x -15 FL	1
#13787	Monture Étroite SM1, 25,0/25,4 mm de dia. optique, M4	2
#62573	Lentille Plan-Convexe Traitée VIS 0°, 25,4 mm de dia. x 76,2 mm FL	1
#47917	Lentille Biconcave Traitée VIS 0°, 25 mm de dia. x -25 mm FL	1
#54999	Monture de Précision à Cardan, 25,0/25,4 mm de dia. optique	4
#64015	Miroir λ/10 Traité Aluminium Amélioré, 25 mm de Dia.	2
#34413	Lame Séparatrice VIS à Coin, 25 mm de diamètre, 50R/50T	2

Alignement d'un interféromètre de Mach-Zehnder

Le laser, l'iris et les lentilles doivent être alignés sur le même axe optique. Idéalement, l'axe optique de ces composants ne doit pas changer même s'ils sont déplacés sur le rail optique. Une platine installée sur le cavalier du rail optique permet un déplacement horizontal perpendiculaire à la direction du rail.

Installation du module laser
- Fixez le module laser (diamètre Φ19,1mm) à #15866 à l'aide de l'adaptateur (#18291).
- Cela permet d'ajuster facilement l'angle du laser.
- Réglez l'angle du support de manière à ce que le faisceau laser soit parallèle au rail optique.
Figure 10 : Installation du module laser
Alignement de l'axe optique du laser
- Utilisez le sous-ensemble iris pour maintenir constant le centre de l'axe optique de tous les composants du système.
- Dirigez le laser sur le centre de l'iris.
- Faites glisser l'iris vers le bas du rail optique tout en effectuant des réglages sur la monture cinématique afin de maintenir le laser centré sur l'iris sur toute la plage.
Figure 11 : Alignement de l'axe optique du laser
Alignement de l'axe optique de la lentille plan-convexe
- Réglez l'axe optique d'une lentille plan-convexe à longue distance focale en faisant glisser l'unité de lentille vers la gauche et la droite.
- Utilisez la tige pour régler la hauteur de la lentille et utilisez la platine queue d'aronde pour régler l'axe optique dans le sens perpendiculaire.
Figure 12 : Alignement de l'axe optique de la lentille plan-convexe avec la longue distance focale
Alignement de l'axe optique de la lentille plan-concave
- Placez une lentille plan-concave à courte distance focale dans le chemin optique.
- Réglez l'axe optique tout en faisant glisser l'unité d'objectif vers la gauche et la droite.
- Utilisez la tige pour régler la hauteur de la lentille et utilisez la platine queue d'aronde pour régler l'axe optique dans le sens perpendiculaire.
Figure 13 : Alignement de l'axe optique de la lentille plan-concave avec la courte distance focale
Positionnement des lentilles pour former un expanseur de faisceau
- Les deux lentilles doivent être séparés par la somme de leurs distances focales. Dans ce cas, la séparation doit être de 76,2 mm - 25 mm = 51,2 mm.
- Pour en savoir plus sur l'association de lentilles afin d'élargir le diamètre d'un faisceau à la taille souhaitée, veuillez consulter notre Note d'application Comment concevoir votre propre expanseur de faisceau en utilisant des optiques de stock.
- Il est important de choisir des lentilles traitées à faible réflectance pour éviter la lumière parasite.
Figure 14 : Positionnement des deux sous-ensembles de lentilles devant l'iris pour former un expanseur de faisceau
Alignement des miroirs et des séparateurs de faisceau
- Les deux longueurs de chemin optique doivent être égales (ou presque) et les faisceaux finaux doivent se chevaucher pour obtenir des franges.
- Un séparateur de faisceau est placé en position A pour diviser le laser en deux trajets et un autre séparateur de faisceau est placé en position D pour recombiner les faisceaux.
- Ajustez les distances de façon à ce que les longueurs de chemin optique de A-B-D et A-C-D soient les mêmes.
- Il faut veiller à ce que les bords des montures de miroir/séparateur de faisceau ne bloquent pas le faisceau.
- Le faisceau transmis par D doit se superposer au faisceau réfléchi en D.
- Ajustez les positions et les angles des miroirs de façon à ce que les deux faisceaux se chevauchent juste après D ainsi que plus loin sur le rail après D(Figure 15).
Figure 15 : Alignement des miroirs et des séparateurs de faisceau
Vérifier les franges d'interférence
- L'ajout d'une loupe après D peut faciliter l'identification des franges.
- La position de la platine sur le rail optique et l'alignement des autres composants peuvent nécessiter un réglage fin pour obtenir des franges
Figure 16 : Configuration finale de l'interféromètre Mach-Zehnder, construit à partir de composants standards d’Edmund Optics