Самосмешивание интерферометрии

Установка самосмешивающего интерферометра с лазерным диодом и контрольным фотодиодом

Самосмешивание или обратная инжекция лазерной интерферометрии является интерферометрической техникой , в которой часть света, отраженного вибрирующей мишенью, отражается в лазерную полость , вызывая модуляцию как амплитуды , так и частоты излучаемого оптического луча. Таким образом, лазер становится чувствительным к расстоянию, пройденному отраженным лучом, становясь датчиком расстояния, скорости или вибрации. ^[1] Преимущество по сравнению с традиционной измерительной системой заключается в более низкой стоимости благодаря отсутствию коллимационной оптики и внешних фотодиодов . ^{[2] [3]}

Фон

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

Типичный интерферометрический сигнал интерференции

В этом типе интерферометрической конфигурации используется тот факт, что небольшая часть света, излучаемого лазером, после отражения от вибрирующей цели повторно вводится в лазерную полость, где реализуется своего рода когерентное детектирование 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 обратно рассеянного поля в соответствии со следующим соотношением: ${\displaystyle \Phi }$

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

где - волновое число , а - физическое расстояние между источником лазера и движущейся целью. Если накладывается сдвиг фазы на целый период, то есть = , мы получаем = . Таким образом, если мы видим целую полосу на экране осциллографа, мы можем сказать, что сдвиг фазы из-за движения препятствия равен , то есть / . Таким образом, подсчитав количество видимых полос, можно вычислить как величину, так и направление смещения с разрешением / . Впервые это продемонстрировал в 1978 году Сильвано Донати . ^[5] ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle s_{0}}$ ${\displaystyle \Delta \Phi }$ ${\displaystyle 2\pi }$ ${\displaystyle \Delta {\text{s}}}$ ${\displaystyle {\tfrac {\lambda }{2}}}$ ${\displaystyle 2\pi }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle 2}$

По сравнению с классическими интерферометрами, которые ссылаются на интерферометр 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. Поэтому опорный оптический путь больше не нужен для измерения и полагается только на взаимодействие между электрическим полем, которое движется к цели, и электрическим полем внутри лазерной полости. ^[2]

АМ-интерферометрия с самосмешением лазера

Самосмешивание конфигурации в амплитудной модуляции (АМ)

Интерферометрические полосы

Показан тренд амплитудно-модулированного интерферометрического сигнала, генерируемого вибрирующей целью (например, аудиодинамиком), питаемым синусоидальным напряжением. Для свойств самосмешивающей лазерной интерферометрии, всякий раз, когда вибрация вибрирующей цели такова, что ее смещение больше или равно / (где - длина волны используемого лазера), создается интерферометрическая полоса. Однако, что касается амплитудной модуляции интерферометрического сигнала, то в основном есть два последствия: ${\displaystyle \lambda _{0}}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle \lambda _{0}}$

• с помощью простого подсчета количества сгенерированных полос можно получить смещение цели
• Приборы, использующие только амплитудную модуляцию (АМ), не очень чувствительны.

Амплитудная модуляция (АМ) излучаемой оптической мощности обнаруживается фотодиодом монитора (ФД) внутри лазерного пакета. В этой конкретной интерферометрической технике разрешение измерения смещения и вибрации ограничено низким отношением сигнал/шум или SNR , так что система подходит только для медленных и широких измерений. ^[6]

FM-интерферометрия с самосмешением лазера

Интерферометр Маха-Цендера

Передаточная функция Маха-Цендера

По сравнению со считыванием амплитудной модуляции, выполняемым с помощью фотодиода, считывание частотной модуляции является более сложным, поскольку сигнал накладывается на носитель на оптических частотах (порядка ТГц), невидимых для полупроводниковых детекторов и считывающей электроники, так что потребуются методы (такие как супергетеродинный приемник ) или сложные оптические системы для преобразования частотной модуляции в амплитудную: фактически, используя частотную модуляцию, теоретически возможно достичь более высокого отношения сигнал/шум и, следовательно, лучшего разрешения в условиях сдвигов менее половины длины волны. Система, способная преобразовывать частотную модуляцию в амплитудную, образована интерферометром Маха-Цендера, который действует как оптический фильтр. ^[2] Форма передаточной функции фильтра имеет идеально синусоидальный рисунок за счет изменения частоты лазера; синусоидальный профиль повторяется для всего спектра из-за явления интерференции, на котором основана работа фильтра: ^[6]

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

где, - амплитудный коэффициент, а - групповой индекс . Можно выполнить преобразование соответствующим образом, откалибровав разность хода на любой оптической частоте (следовательно, на любой длине волны лазера). Разность хода определяет как свободный спектральный диапазон (FSR) прибора, совпадающий с шириной полосы 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; в то время как, если длина разности хода Маха-Цендера мала, то чувствительность фильтра будет низкой, так что амплитуда преобразованного сигнала уменьшится: ^[6] ${\displaystyle \Gamma _{AM}}$ ${\displaystyle n_{\text{g}}}$ ${\displaystyle \Delta {\text{L}}}$ ${\displaystyle \Delta {\text{L}}}$

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

Для проектирования фильтра Маха-Цендера необходимо достичь компромисса между чувствительностью, FSR и размерами фильтра, принимая во внимание основные источники шума в системе. ^[2] ${\displaystyle \Delta {\text{L}}}$

Источники шума

Источники шума, которые влияют на всю систему, связаны как с амплитудной, так и с частотной модуляцией. В частности, источники шума, связанные с АМ-модуляцией, обусловлены как шумом темнового тока , дробовым шумом и электроникой фотодиода монитора, так и дробовым шумом лазера . Аналогично, источники шума, связанные с ЧМ-модуляцией, обусловлены не только шумом темнового тока, дробовым шумом и шумом электроники фотодиода ЧМ, но и вкладом шума, связанного с модуляцией частоты лазера, который преобразуется в амплитудный шум интерферометром Маха-Цендера: этот последний тип шума связан с шириной линии лазера , которая, в свою очередь, связана со случайной фазой фотонов, испускаемых спонтанным излучением.

В сочетании с шумом, связанным с электроникой прибора, который будет использоваться для получения АМ и ЧМ сигналов, можно будет уменьшить разность хода и, следовательно, шум, связанный с интерферометрическим сигналом, до тех пор, пока вклад доминирующего шума останется таким же, как и относительно частотной модуляции. ^[2]

Ссылки

1. Фань, Юаньлун; Ю, Яньгуан; Си, Цзянтао; Чичаро, Джо Ф. (10.09.2011). «Улучшение производительности измерений для системы измерения смещения на основе самосмешивания интерферометрии». Прикладная оптика . 50 (26): 5064–72. Bibcode : 2011ApOpt..50.5064F. doi : 10.1364/AO.50.005064. ISSN  0003-6935. PMID  21946986.
2. Norgia, M; Bandi, F; Pesatori, A; Donati, S (май 2019 г.). "Высокочувствительный виброметр на основе интерферометрии с самосмешением FM". Journal of Physics: Conference Series . 1249 (1): 012020. Bibcode : 2019JPhCS1249a2020N. doi : 10.1088/1742-6596/1249/1/012020 . ISSN  1742-6588.
3. G. Giuliani, M. Norgia, S. Donati и T. Bosch (2002). Метод самосмешивания лазерного диода для сенсорных приложений . том 4, № 6. стр. S283.{{cite book}}: CS1 maint: location (link) CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: multiple names: authors list (link)
4. Донати, Сильвано; Норджиа, Микеле (октябрь 2017 г.). «Самосмешивающий интерферометр с лазерным диодом: раскрытие канала FM и его преимуществ по сравнению с каналом AM». IEEE Journal of Quantum Electronics . 53 (5): 1–10. Bibcode : 2017IJQE...5344984D. doi : 10.1109/JQE.2017.2744984. ISSN  0018-9197. S2CID  13473617.
5. С. Донати. «Лазерная интерферометрия с помощью индуцированной модуляции поля полости» Журнал прикладной физики, т. 49, (1978), стр. 495-497.
6. Norgia, Michele; Melchionni, Dario; Donati, Silvano (2017-09-15). «Использование FM-сигнала в лазерном диоде SMI с помощью фильтра Маха–Цендера». IEEE Photonics Technology Letters . 29 (18): 1552–1555. Bibcode : 2017IPTL...29.1552N. doi : 10.1109/LPT.2017.2735899. hdl : 11311/1032546 . ISSN  1041-1135. S2CID  40447033.