마이켈슨 간섭계의 실험실 셋업: 조립 & 정렬 가이드

마이켈슨 간섭계란?

마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)는 매우 짧은 거리, 굴절률의 변화, 빛의 파장을 측정하는 데 사용되는 광학 장비입니다. 간섭 광원, 빔스플리터. 2개의 미러가 포함된 간단한 간섭 설계가 특징입니다. 이 설계는 먼저 빔스플리터를 사용하여 간섭 광원을 분할합니다. 두 빔은 약간 다른 거리를 이동한 후에 미러에서 반사되어 빔스플리터로 돌아가서 재결합합니다. 두 빔의 경로 길이 차이가 광원의 간섭 길이보다 작으면 위에서 언급한 특성을 정확하게 측정하는 데 사용할 수 있는 간섭 무늬가 생성됩니다. 광원의 간섭 길이는 매우 짧을 수 있기 때문에 정밀 부품과 정렬이 중요합니다.

표준 실험실 부품으로 마이켈슨 간섭계 제작하기

이 어플리케이션 노트는 에드몬드옵틱스에서 쉽게 구할 수 있는 부품을 사용하여 마이켈슨 간섭계의 실험실 셋업을 간략하게 설명합니다. 빠르고 비용 효율적인 솔루션으로 설계된 이 셋업을 통해 거의 모든 실험실 환경에서 마이켈슨 간섭계를 구현할 수 있습니다. 필요한 모든 부품은 한 곳에서 쉽게 구할 수 있습니다. 마이켈슨 간섭계의 실험실 버전은 과학 및 산업에서 널리 사용되는 간섭측정의 기본 원리를 입증하는 데 도움이 됩니다.

마이켈슨 간섭계 부품 목록

다음 표는 마이켈슨 간섭계 셋업에 필요한 모든 제품 목록을 해당 재고 번호 및 수량과 함께 제공합니다.

단계별 가이드라인: 실험을 위한 마이켈슨 간섭계 셋업하기

1단계 – 옵티컬 베이스

그림 1과 같이 100mm 길이의 컴팩트 광학 레일을 브레드보드에 조립합니다. 연속 레일 부분은 미러, 빔스플리터, 빔 익스팬더 및 관찰 타깃을 포함하는 광경로가 됩니다.

2단계 - 포스트 어셈블리

그 다음으로, 포스트 홀더 셋업을 조립합니다. 그림 2와 같이 소켓 헤드 캡 나사(M6 x 1.0)를 사용하여 5개의 TECHSPEC^® Post Holder를 컴팩트 캐리어에 장착합니다. 그림 3은 완성된 어셈블리를 보여줍니다.

3단계 – 레이저 어셈블리

레이저 어셈블리의 경우 그림 4와 같이 E-Series ID Adapter를 E-Series Kinematic Mount에 장착한 다음 레이저를 삽입하고 고정 나사를 조입니다. 위 표에서 추천하는 레이저(재고 번호 26-938)는 10mW 제품입니다. 안전상의 이유로 레이저 소프트웨어를 사용하여 출력 파워를 1mW로 낮출 수 있습니다. 옵션을 고려할 때 재고 상황이나 예산에 따라 레드 다이오드 레이저 또는 재고 번호 72-817과 같은 동급의 저전력 레이저도 적합한 선택일 수 있습니다. 이 실험처럼 교육적인 시연이 목적이라면 다이오드 레이저는 간섭 현상을 충분히 보여줍니다. 그림 5는 포스트에 장착된 레이저 어셈블리를 보여줍니다.

4단계 - 미러 어셈블리

미러 어셈블리의 경우 고정 나사를 사용하여 옵틱을 E-Series Kinematic Mount 내의 제자리에 고정합니다. 포스트를 키네마틱 마운트에 고정합니다. 그림 6과 같이 빠르게 재조립하려면 TECHSPEC^® Post Collar(재고 번호 58-992)를 사용하는 것이 좋습니다.

5단계 - 레이저 & 미러 어셈블리 장착하기

이제 그림 7과 같이 레이저 어셈블리와 미러 어셈블리 1개를 서로 반대쪽 레일에 장착할 수 있습니다.

마운트의 나사를 조정하여 미러를 정렬하고 빔을 레이저에 곧바로 반사시킵니다. 미러를 레이저의 정면으로 최대한 맞춰줍니다. 이 셋업에서는 레이저의 출력이 높지 않기 때문에 다이오드 레이저로 유입되는 소량의 후방 반사가 큰 영향을 주지 않습니다.

그런 다음, 첫 번째 미러를 연속 레일 경로로 이동시킵니다. 포스트 칼라는 두 번째 미러를 정렬하는 동안 높이를 일정하게 유지하는 데 도움이 됩니다. 레이저를 사용하여 두 번째 미러에 대한 정렬 프로세스를 반복합니다(그림 8 참조).

6단계 – 빔스플리터 어셈블리

이제 큐브 빔스플리터 마운트를 조립해야 합니다. Prism Mount(재고 번호 53-030)를 포스트에 장착하려면 1/4-20 Thread Adapter가 필요합니다(그림 9 참조). TECHSPEC^® Beamsplitter Cube를 취급할 때 먼지와 지문이 묻지 않도록 핑거 코트를 착용해야 합니다.

빔스플리터 큐브 배치는 그림 10에 나와 있으며, 빛의 50%가 빗변에서 반사되어 첫 번째 미러를 향해 90°로 굴절됩니다. 빔스플리터 마운트의 상단을 빔스플리터 가운데로 이동시키고 큐브를 살짝 조입니다(그림 11).

7단계 - 빔 익스팬더 어셈블리

그런 다음 빔 익스팬더와 뷰어 스크린을 조립합니다(완성된 어셈블리는 그림 12 참조). 조립이 완료되면 빔스플리터 뒤에 캐리어 2개와 포스트 홀더를 배치하고 먼저 뷰어 스크린을 추가합니다. 두 빔이 대략적으로 스크린 위에 오도록 한 후에 빔스플리터와 스크린 사이에 익스팬더 렌즈를 배치합니다.

그림 13은 최종 셋업을 보여줍니다. 미러의 키네마틱 노브를 조정하여 두 빔을 정렬하고 뷰어 스크린에서 간섭 패턴을 확인합니다.

최종 조정

두 미러의 표면이 서로 정확히 직각이 되도록 완벽하게 정렬되면 미러 표면의 광경로 차이가 일정하게 유지됩니다. 결과적으로 관찰자는 동심원 링 또는 무늬로 구성된 간섭 패턴을 보게 됩니다. 미러 중 하나가 레일을 따라 이동하면 경로 길이가 바뀌면서 무늬가 이동합니다. 이러한 간섭 패턴 이동은 광경로 길이의 변화를 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 한쪽 암에 가스 셀이 삽입된 경우 패턴 이동을 분석하여 가스의 굴절률을 파악할 수 있습니다. 비슷한 원리를 사용하여 다른 소재의 굴절률도 측정할 수 있지만 셋업 및 측정 절차가 좀 더 복잡합니다. 파장을 측정하려면 λ=2⋅Δd / N 방정식을 사용합니다. 여기서 λ는 미지의 파장, Δd는 미러 변위, N은 관찰된 밝은/어두운 무늬의 수입니다.

간섭측정 또는 간섭계에 대한 자세한 정보가 필요하시면 해당 어플리케이션 노트 하단에 제공된 관련 링크를 참조해 주세요. 궁금한 사항이 있으시면 문의 바랍니다!

기타 참고 문헌

• 마하젠다 간섭계 구축하기
• Interferometry
• White-light interferometry resolves sub-Angstrom surface roughness
• Sub-angstrom surface roughness metrology with the white light interferometer
• 옵티컬 플랫