さまざまな干渉計：マッハ・ツェンダー干渉計

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本シリーズでは干渉計の分類の記事内の図１のように干渉計を分類しており、今回は線形光学干渉計の１種である「マッハ・ツェンダー干渉計」について紹介する。マッハ・ツェンダー干渉計は2つに分けた光路の一方に試料や流体を通して、その屈折率変化や透過特性を干渉縞として可視化・測定する装置である。1891年にZehnderが発表し、1892年にMachが改良して発明された。

この干渉計は2つのビームスプリッタと2つのミラーで構成される。図１にマッハ・ツェンダー干渉計のレイアウトを示す。光源から出た光線はコリメータレンズによって平行な光束に変換され、1つ目のビームスプリッタ（BS1）により2つの光路に分けられる。BS1を透過した光はミラー1で反射し2つ目のビームスプリッタ（BS2）に入射する（参照光）。BS1で反射した光はミラー2で反射した後、試料を透過してBS2に入射する（試料光）。参照光と試料光はBS2で合波し、試料による位相差に応じたフリンジ（干渉縞）が2か所のスクリーンに出力される。スクリーン1では「BS2を反射した参照光+BS2を透過した試料光」、スクリーン2では「BS2を透過した参照光+BS2を反射した試料光」が重なり合って干渉縞を生成する。

 

図１：マッハ・ツェンダー干渉計のレイアウト

 

マッハ・ツェンダー干渉計の特徴として、光が往復せず片道伝搬である点が挙げられる。さらに、ビームスプリッタによって光を2つの光路に分けるため、一方の光路にのみ試料を挿入できる。この構造により、大型試料の配置や設置位置の自由度が高く、試料挿入に柔軟性を持たせられる。また、出力が2つ得られるため、それらを差分処理することで光源強度の揺らぎや共通モード雑音を抑制し、S/N比を改善できる点も利点である。

一方でデメリットとしては、光学部品が4つ（ビームスプリッタ×2、ミラー×2）必要となり、装置がやや大型化してコストも増加することが挙げられる。さらに片方の光路（試料光路）にのみ試料を挿入するため、もう一方の参照光路と比べて光量が減少し、干渉縞のコントラストが低下する場合がある。このような場合には、ビームスプリッタの分岐比を調整する、あるいは参照光路にNDフィルターを挿入するなどの方法によって、コントラスト低下を抑制できる。

次回はマイケルソン干渉計について紹介する。