WikiDer > Самосмешивающаяся лазерная интерферометрия

Установка самосмешивающегося интерферометра с лазерным диодом и контрольным фотодиодом

Самосмешивание или же лазерная интерферометрия с обратной инжекцией является интерферометрический метод в котором часть света, отраженного вибрирующей мишенью, отражается в лазерный резонатор, вызывая модуляцию как в амплитуда И в частота 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 системой измерения - более низкая стоимость благодаря отсутствию коллимационной оптики и внешней фотодиоды.^[2][3]

Фон

После разработки классических внешних интерферометрических конфигураций (Михельсон и Мах-Цендер интерферометры), состоящие из линз, Разделитель луча, зеркала и угловой куб, исследовалась возможность создания гораздо более простой и компактной системы. Начиная с 1980-х годов, эта новая конфигурация, известная как ретро-инжекция или самосмешивание, была изучена, и в научной литературе появились приложения, основанные на эффекте ретро-инжекции в коммерческих лазерных диодах.

Типичный интерферометрический сигнал окантовки

В этом типе интерферометрической конфигурации используется тот факт, что небольшая часть света, излучаемого лазером, после отражения от вибрирующей мишени, повторно вводится в резонатор лазера, где реализуется своего рода когерентное детектирование излучения: мощность, излучаемая лазером, фактически модулируется как по амплитуде (ЯВЛЯЮСЬ) и по частоте (FM), генерируя интерферометрический сигнал полос.^[4] Этот сигнал является периодической функцией фазы ${ displaystyle Phi}$ поля, рассеянного назад, согласно следующему соотношению:

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

куда ${ displaystyle k}$ это волновое число и ${ displaystyle s_ {0}}$ это физическое расстояние между лазерным источником и движущейся целью. Если ввести фазовый сдвиг всего периода, то это ${ displaystyle Delta Phi}$=${ displaystyle 2 pi}$, мы получили ${ displaystyle Delta { text {s}}}$=${ displaystyle { tfrac { lambda} {2}}}$Таким образом, если мы можем видеть всю полосу на экране осциллографа, мы можем сказать, что сдвиг фазы из-за движения препятствия равен ${ displaystyle 2 pi}$, то есть ${ displaystyle lambda}$/${ displaystyle 2}$. Таким образом, подсчитав количество видимых полос, можно вычислить как величину, так и направление смещения с разрешением ${ displaystyle lambda}$/${ displaystyle 2}$.

По сравнению с классическими интерферометрами, которые относятся к интерферометрам Майкельсона, этот новый тип интерферометра значительно проще, поскольку лазерный луч уже имеет всю информацию, относящуюся к сигналу, который больше не генерируется биением двух лучей, исходящих из разницы оптических путей. Поэтому ссылка оптический путь больше не требуется для измерения и основывается только на взаимодействии между электрическим полем, которое движется к цели, и электрическим полем внутри лазерного резонатора.^[2]

Самосмешивающаяся лазерная интерферометрия AM

Конфигурация самосмешивания при амплитудной модуляции (AM)

Интерферометрические полосы

Показана тенденция амплитудно-модулированного интерферометрического сигнала, генерируемого вибрирующей целью (например, аудио динамик) питается от синусоидального напряжения. Что касается свойств самосмешивающейся лазерной интерферометрии, всякий раз, когда вибрация колеблющейся мишени такова, что ее смещение больше или равно ${ displaystyle lambda _ {0}}$/${ displaystyle 2}$ (куда ${ displaystyle lambda _ {0}}$ является длина волны используемого лазера) создается интерферометрическая полоса. Однако в отношении амплитудной модуляции интерферометрического сигнала есть два основных следствия:

• путем простого подсчета количества образованных полос можно получить смещение цели
• инструменты, которые используют только амплитудную модуляцию (AM), не очень чувствительны

Амплитудная модуляция (AM) излучаемой оптической мощности обнаруживается фотодиодом монитора (PD) внутри корпуса лазера. В этом конкретном интерферометрическом методе разрешение измерения смещения и вибрации ограничено низким радио сигнал-шум или же SNR, так что система подходит только для медленных и широких измерений.^[5]

Самосмешивающаяся лазерная интерферометрия FM

Интерферометр Маха-Цендера

Передаточная функция Маха-Цендера

По сравнению со считыванием амплитудной модуляции, выполняемой с помощью фотодиода, считывание частотной модуляции является более сложным, поскольку сигнал накладывается на несущую на оптических частотах (порядка ТГц), невидимых для полупроводниковых детекторов и чтение электроники, так что методы (такие как супергетеродинный приемник) или сложные оптические системы для преобразования частотной модуляции в амплитудную модуляцию: на самом деле, используя частотную модуляцию, теоретически можно было бы достичь более высокого соотношение сигнал шум и, следовательно, лучшее разрешение в условиях сдвига менее половины длины волны. Система, способная преобразовывать частотную модуляцию в амплитудную, образована Интерферометр Маха-Цендера который действует как оптический фильтр.^[2] Форма передаточной функции фильтра имеет идеально синусоидальную форму за счет изменения частоты лазера; синусоидальный профиль повторяется для всего спектра из-за явления помех, на котором основана работа фильтра: ^[5]

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

куда, ${ displaystyle Gamma _ {AM}}$ - амплитудный коэффициент и ${ displaystyle n _ { text {g}}}$ это индекс группы. Соответствующее преобразование можно выполнить путем калибровки разница в пути ${ displaystyle Delta { text {L}}}$ на любой оптической частоте (следовательно, на любой длине волны лазера). Разница в пути ${ displaystyle Delta { text {L}}}$ определяет как Свободный спектральный диапазон (FSR) прибора, совпадающего с полосой пропускания между двумя последовательными пиками передаточной функции, и чувствительностью фильтра. В частности, если длина разности хода Маха-Цендера велика, тогда чувствительность фильтра будет высокой, так что амплитуда преобразованного сигнала увеличивается; в то время как, если длина разности хода Маха-Цендера мала, тогда чувствительность фильтра будет низкой, так что амплитуда преобразованного сигнала уменьшается: ^[5]

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

Чтобы спроектировать Mach-Zehnder ${ displaystyle Delta { text {L}}}$, требуется достижение 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 модуляцией AM, связаны как с темное течение шум, чтобы дробовой шум и к электронике фотодиода монитора, и к лазеру дробовой шумАналогичным образом, источники шума, связанные с модуляцией ЧМ, обусловлены не только шумом темнового тока, дробовым шумом и шумом фотодиодной электроники ЧМ, но и вкладом шума, связанного с частотной модуляцией лазера, которая преобразуется в амплитудный шум интерферометра Маха-Цендера: этот последний тип шума связан с ширина линии лазера, что, в свою очередь, связано со случайной фазой фотонов, испускаемых спонтанным излучением.

Совместимо с шумом, связанным с электроникой прибора, который будет использоваться для сбора сигналов AM и FM, можно будет уменьшить разность хода и, следовательно, шум, связанный с интерферометрическим сигналом, до тех пор, пока вклад доминирующего шум остается таким же относительно частотной модуляции.^[2]

Рекомендации