自己混合干渉法

自己混合または逆入射レーザー干渉法は、振動するターゲットによって反射された光の一部がレーザー共振器に反射され、放射される光ビームの振幅と周波数の両方が変調される干渉法です。このようにして、レーザーは反射ビームが進む距離に感度を持つようになり、距離、速度、または振動センサーになります。^{[ 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と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 ]}

レンズ、ビームスプリッター、ミラー、コーナーキューブなど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およびマッハ・ツェンダー干渉計）の開発後、より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た。1980年代以降、逆噴射または自己混合と呼ばれるこの新しい構成が研究され、逆噴射効果を利用した市販レーザーダイオードの応用例が科学文献に登場した。

このタイプの干渉計構成では、レーザーから放出された光のごく一部が振動するターゲットで反射された後、レーザー共振器に再注入され、そこで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ます。レーザーから放出されるパワーは、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 ]}この信号は位相の周期関数です。${\displaystyle \Phi }$後方散乱場の以下の関係式に従って：

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

どこ${\displaystyle k}$波数であり、$s0$はレーザー光源と移動ターゲット間の物理的な距離です。全周期の位相シフトが課せられると、${\displaystyle \Delta \Phi }$=${\displaystyle 2\pi }$そうすれば$\displaystyle \Delta {\text{s}}}$=${\displaystyle {\tfrac {\lambda }{2}}}$。したがって、オシロスコープの画面に干渉縞全体が見える場合、障害物の動きによる位相シフトは${\displaystyle 2\pi }$つまり${\displaystyle \lambda }$/${\displaystyle 2}$このように、可視干渉縞の数を数えることで、変位の大きさと方向の両方を分解能で計算することが可能です。${\displaystyle \lambda }$/${\displaystyle 2}$これは1978年にシルヴァーノ・ドナティによって初めて実証された。^{[ 5 ]}

マイケルソン干渉計に代表され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するすべての情報を含んでいるため、光路差から来る2つのビームのビートによって信号が生成される必要がなくなり、かなりシンプルになっています。したがって、測定には基準光路は不要となり、ターゲットに伝わる電場とレーザー共振器内の電場との相互作用のみに依存します。 ^{[ 2 ]}

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して生成される振幅変調干渉信号の傾向を示します。自己混合レーザー干渉法の特性として、振動するターゲットの振動が、その変位が以上である場合、$\displaystyle \lambda _{0}}$/${\displaystyle 2}$（どこ$\displaystyle \lambda _{0}}$（は使用するレーザーの波長）によって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つの結果があります。

• 発生した干渉縞の数を単純に数えることで、対象物の変位を推定することが可能である。
• 振幅変調（AM）のみを使用する計測器は感度が低い

レーザーパッケージ内部のモニター用フォトダイオード（PD）によって、放出された光パワーの振幅変調（AM）が検出されます。この特定の干渉法では、変位と振動の測定の分解能は低い信号対雑音比（SNR）によって制限されるため、このシステムは低速で広範囲の測定にのみ適しています。^{[ 6 ]}

フォトダイオードで実行される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。信号は半導体検出器や読み取り電子回路では見えない光周波数（THzオーダー）のキャリアに重畳されるため、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）や複雑な光学システムが必要になります。実際、周波数変調を利用することで、理論的にはより高い信号対雑音比、ひいては波長の半分以下のシフト条件下でのより優れた分解能を実現できます。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更することで完全に正弦波パターンになります。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で繰り返されます。^{[ 6 ]}

フィルタ伝達関数:${\displaystyle T(v)\cong \mathbf {\Gamma _{AM}} \cdot \mathbf {sin} \left[{\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{\lambda }}\right]}$

どこ、$\displaystyle \Gamma _{AM}}$は振幅係数であり、${\displaystyle n_{\text{g}}}$はグループインデックスです。経路差を較正することで、適切な変換を実行できます。$\displaystyle \Delta {\text{L}}}$任意の光周波数（したがって任意のレーザー波長）において。$\displaystyle \Delta {\text{L}}}$マッハ・ツェンダーの経路差の長さは、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します。特に、マッハ・ツェンダーの経路差の長さが大きい場合、フィルタの感度が高くなり、変換された信号振幅が増加します。一方、マッハ・ツェンダーの経路差の長さが小さい場合、フィルタの感度が低くなり、変換された信号振幅が減少します。^{[ 6 ]}

フィルター感度:$${\displaystyle \left.{\frac {T(v)}{dv}}\right|_{max}\cong {\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{c}}}$$

マッハ・ツェンダーを設計するために$\displaystyle \Delta {\text{L}}}$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 ]}

システム全体に影響を与えるノイズ源は、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、モニタフォトダイオードの電子回路、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回路のノイズだけでなく、レーザー周波数変調に関連するノイズの寄与にも起因します。このノイズはマッハ・ツェンダー干渉計によって振幅ノイズに変換されます。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、線幅は自然放出によって放出される光子のランダムな位相と関連しています。

AMおよびFM信号の取得に使用される機器の電子回路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、ひいては干渉信号に関連するノイズを低減することが可能です。^{[ 2 ]}