Självblandande interferometri

Uppsättning av en självblandande interferometer med laserdiod och monitorfotodiod

Självblandande eller tillbakainjicerande laserinterferometri är en interferometrisk teknik där en del av ljuset som reflekteras av ett vibrerande mål reflekteras in i laserkaviteten, vilket orsakar en modulering både i amplitud och i frekvens av den emitterade optiska strålen. På så sätt blir lasern känslig för den sträcka som den reflekterade strålen tillryggalägger och blir därmed en avstånds-, hastighets- eller vibrationssensor. Fördelen jämfört med ett traditionellt mätsystem är en lägre kostnad tack vare frånvaron av kollimationsoptik och externa fotodioder .

Bakgrund

Efter utvecklingen av de klassiska externa interferometriska konfigurationerna ( Michelson och Mach-Zehnder interferometrar) som bestod av linser, stråldelare , speglar och hörnkub , undersöktes möjligheten att skapa ett mycket enklare och mer kompakt system. Med början på 1980-talet utforskades denna nya konfiguration som kallas retroinjektion eller självblandning och tillämpningar baserade på retroinjektionseffekten i kommersiella laserdioder dök upp i den vetenskapliga litteraturen.

Typisk interferometrisk kantsignal

I denna typ av interferometrisk konfiguration utnyttjas det faktum att en liten del av ljuset som emitteras av en laser, efter att ha reflekterats av ett vibrerande mål, återinjiceras i laserhåligheten, där en sorts koherent strålningsdetektering realiseras: effekten som sänds ut av lasern moduleras i själva verket både i amplitud ( AM ) och i frekvens ( FM ), vilket genererar en interferometrisk signal från randen. Denna signal är en periodisk funktion av fasen $\Phi$ för det bakåtspridda fältet, enligt följande relation:

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

där $k$ är vågtalet och $s_{0}$ är det fysiska avståndet mellan laserkällan och det rörliga målet. Om en fasförskjutning av en hel period påläggs, det vill säga $\Delta \Phi$ = $2\pi$ , får vi $\Delta {\text{s}}$ = ${\tfrac {\lambda }{2}}$ . Så om vi kan se en hel frans på oscilloskopskärmen kan vi säga att fasförskjutningen på grund av hindrets rörelse är $2\pi$ , det vill säga $\lambda$ / $2$ . På så sätt, genom att räkna antalet synliga fransar, är det möjligt att beräkna både storleken och riktningen för förskjutningen med en upplösning på $\lambda$ / $2$ .

Jämfört med de klassiska interferometrarna som refererar till Michelson en, är denna nya typ av interferometer betydligt enklare, eftersom laserstrålen redan har all information relaterad till signalen som inte längre genereras av två strålar som kommer från optisk vägskillnad. Därför är den optiska referensvägen inte längre nödvändig för mätning och förlitar sig endast på interaktionen mellan det elektriska fältet som färdas till målet och det elektriska fältet inuti laserkaviteten.

AM självblandande laserinterferometri

Självblandande konfiguration i amplitudmodulering (AM)

Interferometriska fransar

Trenden för den amplitudmodulerade interferometriska signalen visas, genererad av ett vibrerande mål (såsom en ljudhögtalare ) som drivs av en sinusformad spänning. För egenskaperna hos självblandande laserinterferometri, närhelst vibrationen hos ett vibrerande mål är sådan att dess förskjutning är större än eller lika med $\lambda _{0}$ / $2$ (där $\lambda _{0}$ är våglängden för använd laser), skapas en interferometrisk frans. Men när det gäller amplitudmodulering av den interferometriska signalen finns det i grunden två konsekvenser:

genom den enkla räkningen av antalet genererade fransar är det möjligt att hämta målets förskjutning
Instrument som bara använder amplitudmodulering (AM) är inte särskilt känsliga

Amplitudmodulationen (AM) av den emitterade optiska effekten detekteras av monitorns (PD) fotodiod inuti laserpaketet. I denna speciella interferometriska teknik begränsas upplösningen av förskjutnings- och vibrationsmätningen av en radio med låg signal-till-brus eller SNR , så att systemet endast är lämpligt för långsamma och breda mätningar.

FM självblandande laserinterferometri

Mach-Zehnder interferometer

Mach-Zehnder överföringsfunktion

Jämfört med avläsningen av amplitudmoduleringen utförd med en fotodiod, är avläsningen av frekvensmoduleringen mer komplex, eftersom signalen överlagras på en bärvåg vid de optiska frekvenserna (i storleksordningen THz) som är osynliga för halvledardetektorerna och för avläsning av elektronik, så att tekniker (som en superheterodynmottagare ) eller komplexa optiska system för att omvandla frekvensmodulering till en amplitudmodulering skulle vara nödvändig: faktiskt genom att utnyttja frekvensmodulering skulle det vara teoretiskt möjligt att uppnå ett högre signal- brusförhållande och följaktligen en bättre upplösning vid skiftningar mindre än halva våglängden. Ett system som kan omvandla frekvensmodulationen till amplituden ett bildas av en Mach-Zehnder-interferometer som fungerar som ett optiskt filter. Formen på filteröverföringsfunktionen har ett perfekt sinusformigt mönster genom att ändra laserns frekvens; den sinusformade profilen upprepas för hela spektrumet, på grund av störningsfenomenet som filtrets funktion är baserad på:

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

där $\Gamma _{AM}$ är en amplitudkoefficient och $n_{\text{g}}$ är gruppindexet . Det är möjligt att utföra omvandlingen på lämpligt sätt genom att kalibrera vägskillnaden Δ $\displaystyle \Delta {\text{L}}}$ vid vilken optisk frekvens som helst (därför till valfri laservåglängd). Banskillnaden $\Delta {\text{L}}$ bestämmer både det fria spektralområdet (FSR) för instrumentet, vilket sammanfaller med bandbredden mellan två på varandra följande toppar av överföringsfunktionen, och filterkänsligheten. I synnerhet, om längden på Mach-Zehnders vägskillnad är stor, kommer filtrets känslighet att vara hög, så att den konverterade signalamplituden ökas; medan om längden på Mach-Zehnders vägskillnad är liten, kommer filtrets känslighet att vara låg, så att den konverterade signalamplituden reduceras:

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

För att designa Mach-Zehnder $\Delta {\text{L}}$ krävs det att man uppnår en kompromiss mellan känslighet, FSR och dimensioner på filtret, med hänsyn till de huvudsakliga bruskällorna i systemet.

Bullerkällor

De bruskällor som påverkar hela systemet är relaterade till både amplitud- och frekvensmodulering. Speciellt beror bruskällorna relaterade till AM-moduleringen både på mörkströmsbruset , på skottbruset och på monitorns fotodiods elektronik och på laserskottbruset . På liknande sätt beror bruskällorna relaterade till FM-modulering inte bara på det mörka strömbruset, på skottbruset och på det från FM-fotodiodelektroniken, utan också på bidraget från brus relaterat till laserfrekvensmoduleringen, som omvandlas till amplitudbrus av Mach-Zehnder-interferometern: denna senare typ av brus är relaterad till laserns linjebredd , som i sin tur är kopplad till den slumpmässiga fasen av fotoner som emitteras av spontan emission.

Förenligt med bruset associerat med elektroniken i instrumentet som kommer att användas för förvärv av AM- och FM-signaler, kommer det att vara möjligt att minska vägskillnaden och därför bruset associerat med den interferometriska signalen, så länge bidraget från dominant brus förblir det i förhållande till frekvensmodulering.

^ Fläkt, Yuanlong; Yu, Yanguang; Xi, Jiangtao; Chicharo, Joe F. (2011-09-10). "Förbättring av mätprestanda för ett självblandande interferometribaserat förskjutningsavkänningssystem" . Tillämpad optik . 50 (26): 5064–72. Bibcode : 2011ApOpt..50.5064F . doi : 10.1364/AO.50.005064 . ISSN 0003-6935 . PMID 21946986 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e Norge, M; Bandi, F; Pesatori, A; Donati, S (maj 2019). "Högkänslig vibrometer baserad på FM självblandande interferometri" . Journal of Physics: Conference Series . 1249 (1): 012020. Bibcode : 2019JPhCS1249a2020N . doi : 10.1088/1742-6596/1249/1/012020 . ISSN 1742-6588 .
^ G. Giuliani, M. Norgia, S. Donati och T. Bosch (2002). Självblandningsteknik med laserdioder för avkänningsapplikationer . vol. 4, nr. 6. sid. S283. {{ citera bok }} : CS1 underhåll: plats ( länk ) CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ Donati, Silvano; Norgia, Michele (oktober 2017). "Självblandande interferometer med en laserdiod: avslöjar FM-kanalen och dess fördelar med hänsyn till AM-kanalen". IEEE Journal of Quantum Electronics . 53 (5): 1–10. Bibcode : 2017IJQE...5344984D . doi : 10.1109/JQE.2017.2744984 . ISSN 0018-9197 . S2CID 13473617 .
^ ^a ^b ^c Norgia, Michele; Melchionni, Dario; Donati, Silvano (2017-09-15). "Utnyttja FM-signalen i en laserdiod SMI med hjälp av ett Mach-Zehnder-filter". 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 .

[1] Fläkt, Yuanlong; Yu, Yanguang; Xi, Jiangtao; Chicharo, Joe F. (2011-09-10). "Förbättring av mätprestanda för ett självblandande interferometribaserat förskjutningsavkänningssystem" . Tillämpad optik . 50 (26): 5064–72. Bibcode : 2011ApOpt..50.5064F . doi : 10.1364/AO.50.005064 . ISSN 0003-6935 . PMID 21946986 .

[:0-2] Norge, M; Bandi, F; Pesatori, A; Donati, S (maj 2019). "Högkänslig vibrometer baserad på FM självblandande interferometri" . 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 och T. Bosch (2002). Självblandningsteknik med laserdioder för avkänningsapplikationer . vol. 4, nr. 6. sid. S283. {{ citera bok }} : CS1 underhåll: plats ( länk ) CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[4] Donati, Silvano; Norgia, Michele (oktober 2017). "Självblandande interferometer med en laserdiod: avslöjar FM-kanalen och dess fördelar med hänsyn till AM-kanalen". IEEE Journal of Quantum Electronics . 53 (5): 1–10. Bibcode : 2017IJQE...5344984D . doi : 10.1109/JQE.2017.2744984 . ISSN 0018-9197 . S2CID 13473617 .

[:1-5] Norgia, Michele; Melchionni, Dario; Donati, Silvano (2017-09-15). "Utnyttja FM-signalen i en laserdiod SMI med hjälp av ett Mach-Zehnder-filter". 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 .