자가 혼합 간섭계

자가 혼합 또는 역주입 레이저 간섭계법은 진동하는 표적에 의해 반사되는 빛의 일부가 레이저 공동에 반사되어 진폭과 방출되는 광학빔의 주파수 모두에서 변조를 일으키는 간섭계 기법이다.이렇게 하면 레이저가 반사빔에 의해 이동되는 거리에 민감해져 거리, 속도 또는 진동 센서가 된다.^[1]기존 측정 시스템에 비해 콜리메이션 광학 및 외부 광다이오드가 없어 비용이 저렴하다는 장점이 있다.^[2][3]

배경

렌즈, 빔 스플리터, 미러, 코너 큐브 등으로 구성된 고전적인 외부 간섭계 구성(Michelson 및 Mach-Zehnder interferometer)이 개발된 후, 훨씬 단순하고 컴팩트한 시스템을 만들 수 있는 가능성을 조사하였다.1980년대부터 복고주입 또는 자기믹스라고 알려진 이 새로운 구성을 탐구하였고 상업용 레이저 다이오드의 복고주입 효과에 기초한 응용이 과학 문헌에 나타났다.

이러한 유형의 간섭계 구성에서는 진동이 발생하는 대상에 의해 반사된 후 레이저에 의해 방출되는 빛의 작은 부분이 레이저 공동에 재주입되는 사실을 이용하는데, 여기서 일종의 일관성 있는 방사선 검출이 실현된다: 레이저에 의해 방출되는 동력은 사실 진폭(AM)과 i 둘 다에서 변조된다.n 주파수(FM), 프링게스 간섭 신호 생성.^[4]이 신호는 다음과 같은 관계에 따라 백그라운드 필드의$$ $Ⅱ상{\displaystyle \mathrm{}}${\$displaystyle \Phi$}의 주기적 함수다.

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

여기서 $k{\displaystyle }$ ${\displaystyle k}$은(는) 파형 번호이고 $s{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$ s_${0}$은(는) 레이저 소스와 이동 대상 사이의 물리적 거리입니다.If a phase shift of an entire period is imposed, that is ${\displaystyle \Delta \Phi }$=${\displaystyle 2\pi }$, we get ${\displaystyle \Delta {\text{s}}}$=${\displaystyle {\tfrac {\lambda }{2}}}$. So, if we can see an entire fringe on the oscilloscope screen, we can say that the phase shift due to t장애물의 이동은 $2{\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle 2\pi$ 즉 $\lambda {\displaystyle }${\$displaystyle$\$lambda$$$} / ${\displaystyle \mathrm{}}$$${\$displaysty$ 이런 식으로 가시적인 프링의 수를 계산하면 $\lambda {\displaystyle }$ ${\displaysty \lambda }$/ 2 ${\displ$.$aystyle 2$ .

미켈슨 1을 가리키는 고전적인 간섭계에 비해 이 새로운 형태의 간섭계는 이미 레이저 빔이 광학적 경로 차이에서 나오는 두 빔의 박동에 의해 더 이상 생성되지 않는 신호와 관련된 모든 정보를 가지고 있기 때문에 상당히 단순하다.따라서 기준 광학 경로는 더 이상 측정에 필요하지 않으며 대상을 이동하는 전기장과 레이저 캐비티 내부의 전기장 사이의 상호작용에만 의존한다.^[2]

AM 자가 혼합 레이저 간섭 측정

진폭 변조 간섭 신호의 추세가 표시되며, 사인파 전압을 통해 구동되는 진동 대상(오디오 스피커 등)에 의해 생성된다.자가 혼합 레이저 간섭 측정의 특성에 대해 진동 대상의 진동이 변위 ${\displaystyle {\lambda \mathrm{}}_{}}$ 0${\$$displaystyle \lambda _{0}$/ 2 ${\displaystyle$ $}($${\displaystyle {여기}_{}}$서 whenever 0 {\$displaystyle \lambda _{0}$는 사용되는 레이저의 파장)보다 크거나 같을 초과할 때마다 간섭계(cr)가 된다.단, 간섭계 신호의 진폭 변조에 대해서는 기본적으로 두 가지 결과가 있다.

• 발생된 프링건수의 단순계수를 통해 대상의 변위를 회수할 수 있다.
• 진폭 변조(AM)만 사용하는 계측기는 그다지 민감하지 않음

방출된 광전원의 진폭 변조(AM)는 레이저 패키지 내부에 있는 모니터(PD)의 광다이오드에 의해 검출된다.이 특별한 간섭계 기법에서 변위 및 진동 측정의 분해능은 낮은 신호 대 잡음 라디오 또는 SNR에 의해 제한된다. 그래서 시스템은 느리고 넓은 측정에만 적합하다.^[5]

FM 자가 혼합 레이저 간섭 측정

광다이오드로 수행되는 진폭 변조의 판독에 비해 주파수 변조의 판독은 반도체 검출기와 판독 전자기에 보이지 않는 광 주파수(THz의 순서)에서 신호가 반송파에 중첩되기 때문에 그 기법(초지열체 등)이 더 복잡하다.e수신기) 또는 주파수 변조를 진폭 변조로 변환하기 위한 복잡한 광학 시스템이 필요할 것이다. 사실 주파수 변조를 활용함으로써 이론적으로 더 높은 신호 대 신호 비율을 달성할 수 있고 따라서 파장의 절반 미만의 이동 조건에서 더 나은 분해능을 달성할 수 있을 것이다.주파수 변조를 진폭으로 변환할 수 있는 시스템은 광학 필터 역할을 하는 마하-젠더 간섭계에 의해 형성된다.^[2]필터 전달 기능의 형상은 레이저의 주파수를 변경하여 완벽한 사인파 패턴을 가지며, 필터의 작동이 기반이 되는 간섭 현상으로 인해 사인파 프로필이 전체 스펙트럼에 대해 반복된다.

• 필터 전달 함수: $T{\displaystyle }$(${\displaystyle v}$ ${\displaystyle )}$ ${\displaystyle \cong }$ ≅ ${\displaystyle {A\mathbf{}}_{}}$ ⋅ ${\displaystyle {\mathbf{A}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ s ${\displaystyle \mathbf{i}}$ ${\displaystyle \mathbf{n}}$[ ${\displaystyle 2\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\pi }{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{L}{}}$ ] ${\displaystyle ]}$ ${\$$AM} \cdot \mathbf {sin} \좌측[{\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!$$L}{\lambda }}}\오른쪽]}$

여기서, $\gamma {\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle A_{}}$ ${\displaystyle M_{}}$ ${\$$AM}$은 진폭계수이고 ${\displaystyle n_{}}$ g ${\$은 그룹지수다.경로 차이 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle L}$ ${\$을(를) 교정함으로써 적절하게 변환을 수행할 수 있다.$모든$ 광 주파수(따라서 레이저 파장)에서$$ L$}}.$경로 차이 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle L}$ ${\$$L}}}$은(는) 전달 함수의 두 연속 피크 사이의 대역폭과 필터 감도와 일치하여 계측기의 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 모두 결정한다$$.특히 마하-젠더의 경로차이의 길이가 크면 필터의 감도가 높아져 변환된 신호 진폭이 증가하는 반면, 마하-젠더의 경로차이의 길이가 작으면 필터의 감도가 낮아져 변환된 신호 진폭이 감소한다.

• 필터 감도: ${\displaystyle {T\frac{}{}}_{}}$(${\displaystyle {\frac{v}{}}_{}}$) ${\displaystyle {\frac{}{}}_{}}$ ${\displaystyle {\frac{v}{}}_{}}$ m ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle 2\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\pi }_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}\mathrm{}}{}}$ L ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\$$\왼쪽$${\frac {T(v)}{dv}\오른쪽 _{max}\cong {\frac {2\pi n_{\text{g}\Delta \!$$L}{c}}}$

Mach-Zehnder ${\displaystyle \Delta }$ L ${\$$L$ 시스템의 주요 소음원을 고려하여 민감도, FSR 및 필터 치수 사이의 절충을 달성해야 한다.^[2]

소음원

전체 시스템에 영향을 미치는 소음원은 진폭과 주파수 변조 모두에 관련된다.특히 AM 변조와 관련된 소음원은 암류 소음, 숏 소음 및 모니터 광다이오드의 전자장치, 레이저 숏 소음 모두에 기인한다.마찬가지로 FM 변조와 관련된 소음원은 어두운 전류 소음, 샷 소음 및 FM 광다이오드 전자 장치의 소음뿐만 아니라 마하-젠더 간섭계에 의해 진폭 노이즈로 변환되는 레이저 주파수 변조와 관련된 소음의 기여에 기인한다: 이 후자의 소음원은 r이다.레이저의 선폭에 맞춰 용출되며, 이는 자연방출에 의해 방출되는 광자의 무작위 위상과 차례로 연결된다.

AM 및 FM 신호 획득에 사용될 계측기의 전자장치와 관련된 노이즈와 양립가능하게, 지배적 노이즈의 기여도가 주파수 변조에 비례하는 것으로 유지되는 한 경로 차이와 따라서 간섭계 신호와 관련된 노이즈를 줄일 수 있을 것이다.^[2]

참조