マイケルソン干渉計で遊ぶ の履歴(No.1)
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LEDのコヒーレント長などの知識を深めたかったので、マイケルソン干渉計を作ってレーザーやLEDで干渉させてみました。ソーラボではマイケルソン干渉計を使った学生実験用の教育セットがあって、それで使うマニュアルもダウンロードできます。パーツの在庫は十分あるので、教育セットは買わずに不足するパーツのみ入手して、干渉計を作ってみました。こういうのは学生実験でやっておきたかったのですが、学部は物理系ではなかったので今頃やってます。
上の図にマイケルソン干渉計の基本構造を示しています。光源（レーザー、LED)から出た光はビームスプリッターで分けられます。１つは真っ直ぐ進んで、ミラーで反射されてビームスプリッターで90度反射して、スクリーンへ行きます（もちろんこの時にビームスプリンターを真っ直ぐ進んでレーザー側に戻る光も存在します）。もう１つのパスはビームスプリッターで90度反射されて、別のミラーで反射されてビームスプリッターに戻り、そのまま真っ直ぐ進んでスクリーンに到達します（もちろんビームスプリッターで反射された光も存在し、レーザー側に戻ります）。調整するとスクリーン側に来た２つの光を干渉させることが出来ます。実はレーザー側にも２つの光が戻ってきているので、そちらも干渉が生じるのですが、見づらいので普通はスクリーン側で観察しますが、こちら側も考慮しないとエネルギーが保存しないとか変なことになります。
なお、レーザー光源はコヒーレンスが良いので２つのパスの距離が異なっても干渉することができますが、LED等はコヒーレンスが悪いのでほぼ同じ距離にならないと干渉しません。
可動ミラーの部分の１軸移動させるところ以外は全てソーラボのパーツで組んでます。ほとんど手持ちのもので済んで、買ったのはレーザー、LEDモジュール、LED素子、スクリーンだけでした。スクリーンはもちろん厚紙とかで代用できます。レーザーは安いものでも使えますが、別目的もあってCPS532を買いました。これは532 nmのペン型のレーザーで4 mWくらいの出力です（ちょっと干渉計目的には明るいのですが、干渉性はいいのです）。ソーラボのパーツでSM1のレンズ筒などに組み込めるのがいいところでしょうか。このレーザーを使う場合は明るすぎるのでレーザーの前に適当な濃度フィルターを入れた方がいいかもしれません。レーザー遮光メガネもあるのですが、それをかけるとレーザー自体が見えなくなるので調整、観察ができません…
LEDについては今回はLEDモジュール(LEDMT1F)を使いました。これはオートコリメーターの作成で使ったのがあるので、LED素子はそれで買ったものを流用しています。LEDについて詳しくはそちらをご覧ください。
光学系はブレッドボード上でポストとポストホルダーを使って組みました（使ったブレッドボードはネジ間隔が荒いので使いづらいのですが）。ビームスプリッターは持っていたものを使っています(CM1-BS013)。２つのミラーは角度を調整する必要があるので、キネマティックマウント(KM100)に載せています。それらをポストに取り付けて配置します。上の写真が全体像です。
さて片方のミラーは移動させる必要があります。そのメカニズムですが、ソーラボにも手動の可動（ミラー）マウントがあって最初それを使っていたのですが（学生実験マニュアルではそれを使っている）、触れるだけでビームが変動するのでちょっと調整が難しく、別のX軸ステージを使っています。これは普通のX軸ステージにミラーの乗ったポストを乗せたものです（ポストとステージの接続は自作のアダプタ）。そしてX軸ステージのマイクロメーターをシグマ光機のマイクロメーター型駆動装置と取り替えて、PCから移動を制御できるようにしています。これだと手で触れないので移動時の変動がかなり抑えられました。この装置とPCで制御する方法については別のページ:SHOT-602をPythonで制御に書いてます。最小移動は1パルスで0.5 micronになります。ミラー位置は定規等で距離が大体同じになるように配置しておきます（ブレッドボードのネジ間隔が荒いのでこれがちょっと厄介でした）。
調整にはレーザーを使います。LEDで調整するのはほぼ無理です（私には無理）。レーザーをビームスプリッターの真ん中あたりを通るように高さと向きを調整します。ミラーに当たっているレーザーがミラーのほぼ真ん中に来るようにミラー２つの位置や高さも調整します。そしてスクリーンを置いて、ビームスプリッターから来る２つの光が重なるようにミラーの角度調整つまみを動かします。そのままでは干渉縞は見づらいので、レンズをレーザーとビームスプリッターの間か、ビームスプリッターとスクリーンの間に入れます。２つの光がちゃんと重なっていれば、この時点で縞が見えるはずです。見えない場合はミラー角度調整つまみを少しだけ動かしてみます。それでも見えない時はレンズを外して、再度２つの光が重なるように調整します。縞が見えたら、縞が同心円になるように片方のミラーの角度を少し調整します。いくつ明暗のリングが見えるでしょうか。数が多い時は２つのパスの距離がかなりずれています。また明暗も近い方がはっきりしてきます。２つの距離がほぼ同じになるとリングの数が減って、最後には全体が明るくなります（少しずらすと暗いバンドが中央に真っ直ぐで見えます）。この微妙な調整はPCから10ミクロン単位で移動させています。私は最初この状態がなかなか見つけられませんでした。
マニュアルにはこの干渉計でできる実験が色々と載ってます。私の興味はLEDでの干渉なので（それもマニュアルの6.4にあります）、まずは上記のようにレーザーを使ってかなり近いところまで合わせておきます。そうしないとLEDの干渉縞を見ることはほぼ無理です。最初何度か試してダメでした。ソーラボのLEDでは赤LED(LED630E)がコヒーレンス長が比較的長いので(28 micron)、まずはそれを使った方がいいと思います。コヒーレンス長が28 micronということはX軸の移動で14 micron以内まで距離が合った場合にしか縞が見えないことになります（光路で考えると２倍移動するので1/2する）。なので縞を探すための移動は数micron単位で行う必要があります。
レーザーで合わせたら光学系はそのままイジらず、レンズを光路から外して、そこにLEDを置いてなるべくLEDがビームスプリッターのなるべく近くになるようにします。そして可動ミラーを数 micron単位で動かして、スクリーンに縞がでるかどうかをみます。手で移動させている場合は落ち着くまで１秒程度待つ必要があります。出ない場合は逆側に移動させてみます。もし見えない場合はレーザーでの調整に戻ります。または探索範囲を広げます。忍耐が必要な実験です。逆にLEDで見つけた場合はその位置でレーザーに戻してみるとレーザーでどこまで合わせておく必要があるのかが体感できます。上の写真は緑LEDを使って縞が見えた時のものです。
赤LED(LED630E)の縞は14 micron程度の範囲だけで縞が見えました。これはマニュアルに書かれている結果と同じです（同じLED使っているので当然ですが）。緑LED(LED525E)だとそれが7-8 micron、白LED（これは秋月で買ったもの）は4 micron程度でした。コヒーレント長は大体それらの２倍になります。最初から白LEDでやると多分見つけられないと思います…今回は目で見ての判断なので正確ではありませんが、マニュアルの記載とほぼ一致しました。