Самосмешивающаяся интерферометрия

Лазерная интерферометрия с самосмешением или обратной инжекцией — это интерферометрический метод , при котором часть света, отраженного вибрирующей мишенью, отражается в резонатор лазера , вызывая модуляцию как по амплитуде , так и по частоте испускаемого оптического луча. Таким образом, лазер становится чувствительным к расстоянию, пройденному отраженным лучом, и становится датчиком расстояния, скорости или вибрации. ^{[ 1 ]} Преимуществом по сравнению с традиционной измерительной системой является более низкая стоимость благодаря отсутствию коллимационной оптики и внешних фотодиодов . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Фон

После разработки классических внешних интерферометрических конфигураций ( интерферометров Майкельсона и Маха-Цендера ), состоящих из линз, светоделителя , зеркал и углового куба , была исследована возможность создания гораздо более простой и компактной системы. Начиная с 1980-х годов изучалась эта новая конфигурация, известная как ретро-инжекция или самосмешивание, и в научной литературе появились приложения, основанные на эффекте ретро-инжекции в коммерческих лазерных диодах.

Типичный интерферометрический сигнал интерференции

В интерферометрической конфигурации этого типа используется тот факт, что небольшая часть света, излучаемого лазером, после отражения от вибрирующей мишени повторно инжектируется в резонатор лазера, где реализуется своего рода когерентное обнаружение излучения: мощность, излучаемая лазером, фактически модулируется как по амплитуде ( AM ), так и по частоте ( FM ), генерируя интерферометрический сигнал полос. ^{[ 4 ]} Этот сигнал является периодической функцией фазы $\Phi$ поля обратного рассеяния согласно следующему соотношению:

$\Phi =2ks_{0}=2{\frac {2\pi }{\lambda }}s_{0}$

где $k$ волновое число и $s_{0}$ — физическое расстояние между лазерным источником и движущейся целью. Если наложен фазовый сдвиг всего периода, то есть $\Delta \Phi$ = $2\pi$ , мы получаем $\Delta {\text{s}}$ = ${\tfrac {\lambda }{2}}$ . Итак, если мы видим на экране осциллографа целую полосу, то можно сказать, что фазовый сдвиг из-за движения препятствия равен $2\pi$ , то есть $\lambda$ / $2$ . Таким образом, подсчитав количество видимых полос, можно рассчитать как величину, так и направление смещения с разрешением $\lambda$ / $2$ . Впервые это было продемонстрировано в 1978 году Сильвано Донати . ^{[ 5 ]}

По сравнению с классическими интерферометрами, относящимися к интерферометру Майкельсона, этот новый тип интерферометра значительно проще, поскольку лазерный луч уже имеет всю информацию, связанную с сигналом, который больше не генерируется биением двух лучей, исходящих из оптической разности хода. Таким образом, эталонный оптический путь больше не необходим для измерения и полагается только на взаимодействие между электрическим полем, которое движется к мишени, и электрическим полем внутри лазерного резонатора. ^{[ 2 ]}

АМ-самосмешивающая лазерная интерферометрия

Показана тенденция амплитудно-модулированного интерферометрического сигнала, генерируемого вибрирующей целью (например, аудиодинамиком ) , питаемой синусоидальным напряжением. Что касается свойств самосмешивающейся лазерной интерферометрии, всякий раз, когда вибрация вибрирующей мишени такова, что ее смещение больше или равно $\lambda _{0}$ / $2$ (где $\lambda _{0}$ — длина волны используемого лазера), создается интерферометрическая полоса. Однако в отношении амплитудной модуляции интерферометрического сигнала есть два основных последствия:

путем простого подсчета количества генерируемых полос можно определить смещение цели
инструменты, использующие только амплитудную модуляцию (АМ), не очень чувствительны

Амплитудная модуляция (АМ) излучаемой оптической мощности обнаруживается фотодиодом монитора (ФД) внутри лазерного корпуса. В этом конкретном интерферометрическом методе разрешение измерения смещения и вибрации ограничено низким соотношением сигнал-шум или SNR , так что система подходит только для медленных и широких измерений. ^{[ 6 ]}

FM-самосмешивающая лазерная интерферометрия

По сравнению со считыванием амплитудной модуляции, осуществляемым фотодиодом, считывание частотной модуляции является более сложным, поскольку сигнал накладывается на несущую на оптических частотах (порядка ТГц), невидимых для полупроводниковых детекторов и для методы (такие как супергетеродинный приемник чтение электроники, так что потребуются ) или сложные оптические системы для преобразования частотной модуляции в амплитудную модуляцию: фактически, используя частотную модуляцию, теоретически было бы возможно достичь более высокого отношения сигнал/шум и отсюда и лучшее разрешение при сдвигах менее половины длины волны. Система, способная преобразовывать частотную модуляцию в амплитудную, образована интерферометром Маха-Цендера , выполняющим роль оптического фильтра. ^{[ 2 ]} Форма передаточной функции фильтра имеет идеально синусоидальную форму за счет изменения частоты лазера; синусоидальный профиль повторяется для всего спектра, что обусловлено явлением интерференции, на котором основана работа фильтра: ^{[ 6 ]}

Передаточная функция фильтра: $T(v)\cong \mathbf {\Gamma _{AM}} \cdot \mathbf {sin} \left[{\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{\lambda }}\right]$

где, $\Gamma _{AM}$ - амплитудный коэффициент и $n_{\text{g}}$ это групповой индекс . Можно выполнить преобразование соответствующим образом, откалибровав разность хода. $\Delta {\text{L}}$ на любой оптической частоте (следовательно, на любой длине волны лазера). Разница в пути $\Delta {\text{L}}$ определяет как свободный спектральный диапазон (FSR) прибора, совпадающий с полосой пропускания между двумя последовательными пиками передаточной функции, так и чувствительность фильтра. В частности, если длина разности хода Маха-Цендера велика, то чувствительность фильтра будет высокой, так что амплитуда преобразованного сигнала увеличится; при этом, если длина разности хода Маха-Цендера мала, то чувствительность фильтра будет низкой, так что амплитуда преобразованного сигнала уменьшится: ^{[ 6 ]}

Чувствительность фильтра: $\left.{\frac {T(v)}{dv}}\right|_{max}\cong {\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{c}}$

Чтобы спроектировать Маха-Цендера $\Delta {\text{L}}$ , необходимо добиться компромисса между чувствительностью, FSR и размерами фильтра с учетом основных источников шума в системе. ^{[ 2 ]}

Источники шума

Источники шума, влияющие на всю систему, связаны как с амплитудной, так и с частотной модуляцией. В частности, источники шума, связанные с АМ-модуляцией, обусловлены как темновым шумом, дробовым шумом и электроникой фотодиода монитора, так и дробовым шумом лазера . Аналогичным образом, источники шума, связанные с ЧМ-модуляцией, обусловлены не только темновым током, дробовым шумом и электроникой ЧМ-фотодиода, но также вкладом шума, связанного с лазерной частотной модуляцией, который преобразуется в Амплитудный шум интерферометра Маха-Цендера: этот последний тип шума связан с шириной линии лазера, которая, в свою очередь, связана со случайной фазой фотонов, испускаемых спонтанным излучением.

Совместимо с шумом, связанным с электроникой прибора, который будет использоваться для приема сигналов AM и FM, можно будет уменьшить разность хода и, следовательно, шум, связанный с интерферометрическим сигналом, при условии, что вклад доминирующих шум остается таким же, как и частотная модуляция. ^{[ 2 ]}

Ссылки

^ Фань, Юаньлун; Ю, Янгуан; Си, Цзянтао; Чичаро, Джо Ф. (10 сентября 2011 г.). «Улучшение характеристик измерений для самосмешивающейся системы измерения смещения на основе интерферометрии» . Прикладная оптика . 50 (26): 5064–72. Бибкод : 2011ApOpt..50.5064F . дои : 10.1364/AO.50.005064 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 21946986 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Норгия, М; Банди, Ф; Песатори, А; Донати, С (май 2019 г.). «Высокочувствительный виброметр на основе FM-самосмешивающейся интерферометрии» . Физический журнал: серия конференций . 1249 (1): 012020. Бибкод : 2019JPhCS1249a2020N . дои : 10.1088/1742-6596/1249/1/012020 . ISSN 1742-6588 .
^ Дж. Джулиани, М. Норгия, С. Донати и Т. Бош (2002). Метод самосмешивания лазерных диодов для сенсорных приложений . том. 4, нет. 6. с. С283. {{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Донати, Сильвано; Норгия, Мишель (октябрь 2017 г.). «Самосмешивающий интерферометр с лазерным диодом: раскрытие FM-канала и его преимуществ по сравнению с AM-каналом». Журнал IEEE по квантовой электронике . 53 (5): 1–10. Бибкод : 2017IJQE...5344984D . дои : 10.1109/JQE.2017.2744984 . ISSN 0018-9197 . S2CID 13473617 .
^ С.Донати. «Лазерная интерферометрия путем индуцированной модуляции поля резонатора», Журнал прикладной физики, том 49, (1978), стр. 495-497.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Норгия, Мишель; Мельчионни, Дарио; Донати, Сильвано (15 сентября 2017 г.). «Использование FM-сигнала в лазерном диоде SMI с помощью фильтра Маха – Цендера». Письма IEEE Photonics Technology . 29 (18): 1552–1555. Бибкод : 2017IPTL...29.1552N . дои : 10.1109/LPT.2017.2735899 . hdl : 11311/1032546 . ISSN 1041-1135 . S2CID 40447033 .

[1] Фань, Юаньлун; Ю, Янгуан; Си, Цзянтао; Чичаро, Джо Ф. (10 сентября 2011 г.). «Улучшение характеристик измерений для самосмешивающейся системы измерения смещения на основе интерферометрии» . Прикладная оптика . 50 (26): 5064–72. Бибкод : 2011ApOpt..50.5064F . дои : 10.1364/AO.50.005064 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 21946986 .

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Норгия, М; Банди, Ф; Песатори, А; Донати, С (май 2019 г.). «Высокочувствительный виброметр на основе FM-самосмешивающейся интерферометрии» . Физический журнал: серия конференций . 1249 (1): 012020. Бибкод : 2019JPhCS1249a2020N . дои : 10.1088/1742-6596/1249/1/012020 . ISSN 1742-6588 .

[3] Дж. Джулиани, М. Норгия, С. Донати и Т. Бош (2002). Метод самосмешивания лазерных диодов для сенсорных приложений . том. 4, нет. 6. с. С283. {{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[4] Донати, Сильвано; Норгия, Мишель (октябрь 2017 г.). «Самосмешивающий интерферометр с лазерным диодом: раскрытие FM-канала и его преимуществ по сравнению с AM-каналом». Журнал IEEE по квантовой электронике . 53 (5): 1–10. Бибкод : 2017IJQE...5344984D . дои : 10.1109/JQE.2017.2744984 . ISSN 0018-9197 . S2CID 13473617 .

[5] С.Донати. «Лазерная интерферометрия путем индуцированной модуляции поля резонатора», Журнал прикладной физики, том 49, (1978), стр. 495-497.

[:1-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Норгия, Мишель; Мельчионни, Дарио; Донати, Сильвано (15 сентября 2017 г.). «Использование FM-сигнала в лазерном диоде SMI с помощью фильтра Маха – Цендера». Письма IEEE Photonics Technology . 29 (18): 1552–1555. Бибкод : 2017IPTL...29.1552N . дои : 10.1109/LPT.2017.2735899 . hdl : 11311/1032546 . ISSN 1041-1135 . S2CID 40447033 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]