Optical Simulation and Development towards Compact Sensor Heads using Deep Frequency Modulation Interferometry

Abstract

Zusammenfassung Die Tiefenfrequenzmodulationsinterferometrie (DFMI) bietet eine vielversprechende Alternative zur klassischen Heterodyn-Interferometrie, indem sie die optische Komplexität reduziert und gleichzeitig eine dynamische Auslesung über mehrere Laser-Wellenlängen sicherstellt. DFMI hat auch das Potenzial absolute Entfernung zu messen, indem die optische Laufzeit in die Modulationstiefe enkodiert wird, was diese Technik attraktiv für Hilfssensoren in Gravitationswellendetektoren und für industrielle Anwendungen macht. Diese Studie untersucht DFMI in einem Michelson-Interferometer zur Messung von Oberflächenverformungen mit einem Sensornetzwerk. Wir adressieren Herausforderungen bei der Entwicklung kompakter, drahtloser Sensoren mit kostengünstigen Laserdioden, die unerwünschte Amplitudenmodulationen einführen. Wir bewerten die Effizienz und Phasenfehler von DFMI-Anpassungsalgorithmen bei starker residualer Amplitudenmodulation und zeigen die Notwendigkeit neuer Anpassungsmethoden, um die Fehler selbst bei schwachen Amplitudenmodulationen zu reduzieren. Um den Dynamikbereich eines kompakten Sensors abzuschätzen, simulieren wir ein Michelson-Interferometer mit IFOCAD, um die interferometrischen Signale in Abhängigkeit der Testmassen-Bewegung vorherzusagen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung eines Retroreflektors als Testmasse robuste Translationsmessungen auch bei hohen Winkeldynamiken ermöglicht und eine genaue Bewegungserkennung senkrecht zur Laserstrahlachse durch die Nutzung einer Quadrant-Photodiode mit differentieller Wellenfront- oder Leistungsmessung erlaubt. Wir vergleichen diese Ergebnisse mit der Leistung eines Planspiegels als Testmasse.