自己混合干渉法

自己混合またはバックインジェクションレーザー干渉法は、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キャビティに反射され、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。このようにして、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ないため、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、コーナーキューブで構成される従来の外部干渉構成 (マイケルソン干渉計とマッハツェンダー干渉計)が開発された後、はるかにシンプルでコンパクトなシステムを作成する可能性が調査されました。1980 年代から、逆注入または自己混合として知られるこの新しい構成が研究され、市販のレーザーダイオードの逆注入効果に基づくアプリケーションが科学文献に登場しました。

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、次の関係に従って、後方散乱場の 位相の周期関数です。${\displaystyle \Phi}$

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

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で縞模様全体を見ることができる場合、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Silvano Donatiによって初めて実証されました。^[5]${\displaystyle k}$${\displaystyle s_{0}}$${\displaystyle \デルタ\ファイ}$${\displaystyle 2\pi }$${\displaystyle \Delta {\text{s}}}$${\displaystyle {\tfrac {\lambda }{2}}}$${\displaystyle 2\pi }$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle 2}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle 2}$

マイケルソン干渉計を参照する古典的な干渉計と比較すると、この新しいタイプの干渉計は、レーザービームがすでに信号に関連するすべての情報を持っているため、光路差から来る2つのビームのビートによって生成されなくなり、測定に参照光路は必要なくなり、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]

正弦波電圧によって駆動される振動ターゲット (オーディオ スピーカーなど) によっ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により、振動ターゲットの振動により変位が/ (ここで は使用されるレーザーの波長) 以上になると、干渉縞が生成されます。ただし、干渉信号の振幅変調に関しては、基本的に次の 2 つの結果が生じます。 ${\displaystyle \lambda_{0}}$${\displaystyle 2}$${\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

放出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モニター（PD）によって検出されます。この特定の干渉技術では、変位と振動の測定の解像度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い測定にのみ適しています。^[6]

フォトダイオードで行わ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。なぜなら、信号は半導体検出器や読み取り電子機器には見えない光周波数（THz 程度）で搬送波に重ね合わされるため、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るからです。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の条件で、より高い信号対雑音比、したがってより優れた解像度を達成することが理論的に可能になります。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形成されます。 ^[2]フィルタ伝達関数の形状は、レーザーの周波数を変えることで完全な正弦波パターンになります。フィルタの動作のベース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:${\displaystyle T(v)\cong \mathbf {\Gamma _{AM}} \cdot \mathbf {sin} \left[{\frac {2\pi n_{\text{g}}\Delta \!L}{\lambda }}\right]}$

ここで、は振幅係数、は群指数です。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により、変換を適切に実行できます。経路差は、伝達関数の2つの連続する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）とフィルター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、フィルターの感度が高くなり、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、フィルターの感度が低くなり、変換された信号振幅が減少します。^[6]${\displaystyle \Gamma _{AM}}$${\displaystyle n_{\text{g}}}$ ${\displaystyle \Delta {\text{L}}}$${\displaystyle \Delta {\text{L}}}$

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]${\displaystyle \Delta {\text{L}}}$

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機器、およびレーザーショットノイズの両方が原因です。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 フォトダイオード電子機器のノイズだけでなく、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関連しています。

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対するものである限り、経路差を減らし、したがって干渉信号に関連するノイズを減らすことが可能です。^[2]