自己混合干渉法
レーザーダイオードとモニターフォトダイオードを備えた自己混合干渉計のセットアップ

自己混合型またはバックインジェクション型レーザー干渉計は、振動する対象物から反射された光の一部がレーザー共振器に反射され、放射された光ビームの振幅と周波数の両方に変調を引き起こす干渉技術です。これにより、レーザーは反射ビームの移動距離に敏感になり、距離、速度、または振動センサーとして機能します。[1]従来の測定システムと比較した利点は、コリメーション光学系や外部フォトダイオードが不要なため、コストが低いことです。[2] [3]

背景

レンズ、ビームスプリッター、ミラー、コーナーキューブで構成される古典的な外部干渉計構成（マイケルソン干渉計とマッハ・ツェンダー干渉計）の開発後、はるかにシンプルでコンパクトなシステムを構築する可能性が検討されました。1980年代以降、この新しい構成はレトロインジェクションまたはセルフミキシングとして研究され、市販のレーザーダイオードにおけるレトロインジェクション効果に基づく応用例が科学文献に登場しました。

典型的な干渉縞信号

このタイプの干渉計構成では、レーザーから放射された光のごく一部が振動するターゲットによって反射された後、レーザーキャビティに再注入され、一種のコヒーレント放射検出が実現されるという事実が利用されています。レーザーによって放射された電力は、実際には振幅（AM）と周波数（FM）の両方で変調され、干渉縞信号を生成します。[4]この信号は、次の関係に従って、後方散乱場の 位相の周期関数です。 Φ {\displaystyle \Phi }

Φ ＝ 2 け s 0 ＝ 2 2 π λ s 0 {\displaystyle \Phi =2ks_{0}=2{\frac {2\pi }{\lambda }}s_{0}}

ここでは波数、 はレーザー光源と移動するターゲット間の物理的な距離です。1周期分の位相シフト、つまり=が課せられた場合、 =となります。したがって、オシロスコープの画面上で縞模様全体が見える場合、障害物の移動による位相シフトは、つまり/であると言えます。このように、目に見える縞模様の数を数えることで、変位の大きさと方向の両方を/の分解能で計算することができます。これは1978年にシルバノ・ドナティによって初めて実証されました。[5] け {\displaystyle k} s 0 {\displaystyle s_{0}} Δ Φ {\displaystyle \Delta \Phi } 2 π {\displaystyle 2\pi } Δ s {\displaystyle \Delta {\text{s}}} λ 2 {\displaystyle {\tfrac {\lambda }{2}}} 2 π {\displaystyle 2\pi } λ {\displaystyle \lambda} 2 {\displaystyle 2} λ {\displaystyle \lambda} 2 {\displaystyle 2}

マイケルソン干渉計を基準とする従来の干渉計と比較すると、この新しいタイプの干渉計は、レーザービームが既に信号に関連するすべての情報を保持しているため、大幅に簡素化されています。これは、光路差に起因する2本のビームのビートによって生成される信号とは無関係です。したがって、測定には参照光路は不要となり、ターゲットに伝わる電界とレーザーキャビティ内の電界との相互作用のみに依存します。[2]

AM自己混合レーザー干渉計

振幅変調（AM）における自己混合構成
干渉縞

振動するターゲット（オーディオスピーカーなど）に正弦波電圧を印加することで生成される、振幅変調された干渉信号のトレンドを示します。自己混合レーザー干渉法の特性上、振動するターゲットの振動変位が/ （ここで、は使用するレーザーの波長）以上の場合、干渉縞が生成されます。しかし、干渉信号の振幅変調に関しては、基本的に2つの結果が存在します。 λ 0 {\displaystyle \lambda_{0}} 2 {\displaystyle 2} λ 0 {\displaystyle \lambda_{0}}

  • 生成された縞の数を単純に数えることで、ターゲットの変位を取得することができます。
  • 振幅変調（AM）のみを使用する機器はあまり感度が高くない

放射された光パワーの振幅変調（AM）は、レーザーパッケージ内のフォトダイオード（PD）によって検出されます。この干渉計技術では、変位および振動測定の分解能が低い信号対雑音比（SNR）によって制限されるため、このシステムは低速で広い範囲の測定にしか適していません。[6]

FM自己混合レーザー干渉計

マッハ・ツェンダー干渉計
マッハ・ツェンダー伝達関数

フォトダイオードを用いた振幅変調の読み取りと比較すると、周波数変調の読み取りはより複雑です。これは、信号が半導体検出器や読み取り電子回路では検出できない光周波数（THzオーダー）の搬送波に重畳されるためです。そのため、周波数変調を振幅変調に変換する技術（スーパーヘテロダイン受信機など）や複雑な光学系が必要になります。実際、周波数変調を利用することで、波長の半分未満のシフトにおいて、より高い信号対雑音比、ひいてはより優れた分解能を実現することが理論的に可能となります。周波数変調を振幅変調に変換できるシステムは、光フィルタとして機能するマッハ・ツェンダー干渉計によって構成されます。 [2]フィルタの伝達関数の形状は、レーザーの周波数を変化させることで完全な正弦波パターンを形成します。フィルタの動作の基盤となる干渉現象により、正弦波プロファイルはスペクトル全体にわたって繰り返されます。[6]

フィルタ伝達関数: T （ v ） ≅ Γ あ M ⋅ s 私 n [ 2 π n グラム Δ L λ ] {\displaystyle T(v)\cong \mathbf {\Gamma _{AM}} \cdot \mathbf {sin} \left[{\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{\lambda }}\right]}

ここで、は振幅係数、は群屈折率である。任意の光周波数（したがって任意のレーザー波長）で経路差を較正することで、適切な変換を行うことができる。経路差は、伝達関数の連続する2つのピーク間の帯域幅と一致する機器の自由スペクトル範囲（FSR）と、フィルタ感度の両方を決定する。特に、マッハ・ツェンダーの経路差が大きい場合、フィルタの感度が高くなり、変換された信号振幅が増加する。一方、マッハ・ツェンダーの経路差が小さい場合、フィルタの感度が低くなり、変換された信号振幅が減少する。[6] Γ A M {\displaystyle \Gamma _{AM}} n g {\displaystyle n_{\text{g}}} Δ L {\displaystyle \Delta {\text{L}}} Δ L {\displaystyle \Delta {\text{L}}}

フィルター感度: T ( v ) d v | m a x ≅ 2 π n g Δ L c {\displaystyle \left.{\frac {T(v)}{dv}}\right|_{max}\cong {\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{c}}}

マッハツェンダーを設計するには、システム内の主なノイズ源を考慮して、感度、FSR、フィルタの寸法の間で妥協点を見つける必要がある。[2] Δ L {\displaystyle \Delta {\text{L}}}

騒音源

システム全体に影響を及ぼすノイズ源は、振幅変調と周波数変調の両方に関連しています。特に、AM 変調に関連するノイズ源は、暗電流ノイズ、ショットノイズ、モニターフォトダイオードの電子部品、およびレーザーショットノイズに起因します。同様に、FM 変調に関連するノイズ源は、暗電流ノイズ、ショットノイズ、FM フォトダイオードの電子部品だけでなく、マッハツェンダ干渉計によって振幅ノイズに変換されるレーザー周波数変調に関連するノイズの寄与によっても発生します。この後者のタイプのノイズはレーザーの線幅に関連しており、これは自然放出によって放出される光子のランダム位相にリンクされています。

AM信号とFM信号の取得に使用される機器の電子機器に関連するノイズと互換性があり、支配的なノイズの寄与が周波数変調に関連するものである限り、経路差を低減し、したがって干渉信号に関連するノイズを低減することが可能になります。[2]

参考文献

  1. ^ Fan, Yuanlong; Yu, Yanguang; Xi, Jiangtao; Chicharo, Joe F. (2011-09-10). 「自己混合干渉法に基づく変位センシングシステムの測定性能向上」. Applied Optics . 50 (26): 5064–72 . Bibcode :2011ApOpt..50.5064F. doi :10.1364/AO.50.005064. ISSN  0003-6935. PMID  21946986.
  2. ^ abcde Norgia, M; Bandi, F; Pesatori, A; Donati, S (2019年5月). 「FM自己混合干渉法に基づく高感度振動計」. 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, T. Bosch (2002).センシング用途におけるレーザーダイオード自己混合技術. 第4巻第6号. S283頁.{{cite book}}: CS1 maint: location (link) CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  4. ^ Donati, Silvano; Norgia, Michele (2017年10月). 「レーザーダイオードを用いた自己混合干渉計：FMチャネルの解明とAMチャネルに対するその利点」. IEEE Journal of Quantum Electronics . 53 (5): 1– 10. Bibcode :2017IJQE...5344984D. doi :10.1109/JQE.2017.2744984. ISSN  0018-9197. S2CID  13473617.
  5. ^ S.Donati. 「キャビティフィールドの誘導変調によるレーザー干渉計」Journal of Applied Physics vol.49, (1978), pp.495-497.
  6. ^ abc Norgia, Michele; Melchionni, Dario; Donati, Silvano (2017-09-15). 「マッハ・ツェンダーフィルタを用いたレーザーダイオードSMIにおけるFM信号の利用」. 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.
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