Anwendung eines Einzelfrequenz-Halbleiterlasers zur präzisen Messung von Lichtwelleninterferenzen

Anwendung vonHalbleiterlaser mit Einzelfrequenzbei der präzisen Messung der Lichtwelleninterferenz
Die Anwendung einer einzelnen FrequenzHalbleiterlaserEs wird über Präzisionsmessfelder wie faseroptische Hydrophone und Bodenabhörinterferometer diskutiert, und der entscheidende Einfluss der Laserleistung auf die Leistung von Interferometersystemen wird eingehend analysiert.

Kernstruktur und Funktionsprinzip des Systems: Das faseroptische Hydrophonsystem besteht im Wesentlichen aus einem Sensorkopf und einem Interferometer (beispielsweise einem Mach-Zehnder-Interferometer). Das Grundprinzip beruht darauf, dass das Schallsignal (Schalldruck Δp) auf den Sensorkopf einwirkt und dadurch Längen- und Brechungsindexänderungen der um den Hohlzylinder gewickelten Sensorfaser bewirkt. Dies führt zu einer Änderung des optischen Weges. Diese geringfügige Änderung des optischen Weges (Phasenänderung) wird mit hoher Empfindlichkeit von einem Interferometer erfasst.

1. Sensorkopf: Seine Hauptfunktion besteht darin, Schallschwingungen in Änderungen im optischen Pfad des Interferometers umzuwandeln. Der Empfindlichkeitskoeffizient s hängt von Faktoren wie der Faserlänge L ab; längere Sensorfasern verbessern die Systemempfindlichkeit.
2. Interferometer: Es ist das beste Instrument zur Detektion kleiner Phasenänderungen. Die Intensität des Ausgangslichts verhält sich kosinusförmig zur Phasendifferenz. Durch Stabilisierung der statischen Phasenabweichung φ₀ am orthogonalen Arbeitspunkt ((m+1/2)π) lässt sich die höchste Detektionsempfindlichkeit erzielen.
3. Wichtige Lichtquellenparameter, die die Systemleistung beeinflussen: Der Artikel konzentriert sich auf die Analyse der Grenzen der Laserleistung beim Erreichen einer hohen Phasenauflösung (mit einem Zielwert von ≤ 1 μ rad).
4. LaserFrequenzrauschen und Linienbreite: Das Frequenzrauschen des Lasers kann Phasenrauschen verursachen und dadurch die Sichtbarkeit der Interferenzstreifen verringern. Um bei einem Interferometer mit einer optischen Weglängendifferenz von etwa einem Meter eine Phasenauflösung von 1 µrad zu erreichen, muss die Linienbreite des Lasers unter etwa 30 Hz liegen. Dies stellt eine sehr hohe Anforderung an die Frequenzstabilität des Lasers dar.Lichtquelle.
5. Laserintensitätsrauschen: Das relative Intensitätsrauschen (RIN) des Lasers wird direkt in einen Phasenfehler des Interferenzsignals umgerechnet. Um bei einer typischen Detektionslichtleistung (~100 μW) eine Phasenauflösung von 1 μrad zu erreichen, muss das RIN des Lasers auf unter -120 dB reduziert werden. Dies stellt eine sehr hohe Anforderung an die Stabilität der Lichtquellenintensität dar.

Zusammenfassend werden durch die Analyse des faseroptischen Hydrophonsystems die strengen Anforderungen an die zentrale Lichtquelle – einen Halbleiterlaser mit einer einzigen Frequenz – hinsichtlich extrem schmaler Linienbreite (hohe Frequenzstabilität) und extrem niedrigem Intensitätsrauschen bei Präzisionsmessungen auf Basis des Interferenzprinzips erläutert und die Herausforderungen der Laserfrequenzstabilisierung bei großtechnischen Systemanwendungen vorgestellt.