Ứng dụng laser bán dẫn đơn tần trong đo chính xác sự giao thoa sóng ánh sáng

Ứng dụng củaLaser bán dẫn đơn tầntrong phép đo chính xác sự giao thoa sóng ánh sáng
Ứng dụng tần số đơnlaser bán dẫnBài viết này thảo luận về các lĩnh vực đo lường chính xác như thủy âm kế sợi quang và giao thoa kế nghe mặt đất, đồng thời phân tích sâu tác động quan trọng của hiệu suất laser đến hiệu suất của hệ thống giao thoa kế.

Cấu trúc cốt lõi và nguyên lý hoạt động của hệ thống: Hệ thống thủy âm sợi quang chủ yếu bao gồm một đầu cảm biến và một giao thoa kế (lấy giao thoa kế Mach-Zehnder làm ví dụ). Nguyên lý cơ bản là tín hiệu âm thanh (áp suất âm thanh Δp) tác động lên đầu cảm biến, gây ra sự thay đổi về chiều dài và chiết suất của sợi quang quấn quanh hình trụ rỗng, từ đó tạo ra sự thay đổi trong đường truyền quang. Sự thay đổi nhỏ trong đường truyền quang (tức là sự thay đổi pha) này được giao thoa kế phát hiện với độ nhạy cao.

1. Đầu cảm biến: Chức năng cốt lõi của nó là chuyển đổi các rung động âm thanh thành sự thay đổi trong đường dẫn quang học của giao thoa kế. Hệ số nhạy cảm s liên quan đến các yếu tố như chiều dài sợi quang L, và sợi quang cảm biến dài hơn sẽ có lợi cho việc cải thiện độ nhạy của hệ thống.
2. Giao thoa kế: Đây là “vũ khí tốt nhất” để phát hiện những thay đổi pha nhỏ. Cường độ ánh sáng đầu ra có mối quan hệ cosin với độ lệch pha. Bằng cách ổn định độ lệch pha tĩnh φ ₀ tại điểm hoạt động trực giao ((m+1/2) π), hệ thống có thể đạt được độ nhạy phát hiện cao nhất.
3. Các thông số chính của nguồn sáng ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống: Bài viết tập trung vào việc phân tích các hạn chế về hiệu suất laser trong việc đạt được độ phân giải pha cao (với mục tiêu ≤ 1 μ rad).
4. LaserNhiễu tần số và độ rộng vạch phổ: Nhiễu tần số của laser có thể gây ra nhiễu pha giao thoa, do đó làm giảm độ rõ nét của các vân giao thoa. Đối với một giao thoa kế có hiệu đường truyền quang khoảng 1 mét, để đạt được độ phân giải pha 1 μrad, độ rộng vạch phổ của laser cần phải nhỏ hơn khoảng 30 Hz. Đây là một yêu cầu rất cao đối với độ ổn định tần số của thiết bị.nguồn sáng.
5. Nhiễu cường độ laser: Nhiễu cường độ tương đối (RIN) của laser sẽ được chuyển đổi trực tiếp thành sai số pha của tín hiệu giao thoa. Để đạt được độ phân giải pha 1 μrad ở công suất ánh sáng phát hiện điển hình (~100 μW), RIN của laser cần được giảm xuống dưới -120 dB. Đây là một yêu cầu rất cao đối với sự ổn định cường độ nguồn sáng.

Tóm lại, bằng cách phân tích hệ thống thủy âm kế sợi quang, các yêu cầu nghiêm ngặt đối với nguồn sáng cốt lõi – laser bán dẫn đơn tần – về độ rộng vạch phổ cực hẹp (ổn định tần số cao) và nhiễu cường độ cực thấp trong phép đo chính xác dựa trên nguyên lý giao thoa được trình bày chi tiết, đồng thời nêu bật những thách thức trong việc ổn định tần số laser gặp phải trong các ứng dụng hệ thống quy mô lớn.