Augensicheres, mit Quetschlicht verbessertes scannendes heterodynes Mach-Zehnder LDV

Stand der Technik / Motivation

  • Ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) ist ein etabliertes industrielles Instrument, um Vibrationen von Oberflächen bzw. Änderungen optischer Weglängen in Medien berührungslos zu messen.
  • Die Empfindlichkeit kommerzieller LDVs ist durch das Photonenschrotrauschen begrenzt.
  • Um die Sicherheit der Augen des Benutzers zu gewährleisten und eine thermische Verformung der Messprobe durch optische Erwärmung zu vermeiden, ist die vom LDV verwendete Lichtintensität begrenzt.
  • Das Team von Professor Dr. Roman Schnabel der Universität Hamburg als Projektpartner realisierte die erste Quetschlicht-Quelle für Gravitationswellendetektor (Michelson-Interferometer) und erhöhte deren Empfindlichkeit.

Ziel

  • Beweis des Konzepts von mit gequetschtem Licht verbesserten LDV
  • Überwindung der Auflösungsgrenze moderner industrieller augensicherer LDV für die Messung von Oberflächenvibrationen mit Hilfe der gequetschten-Licht-Technik

Methoden

1. Heterodynes Mach-Zehnder LDV mit Quetschlichtverstärkung

  • Das Laserlicht bei 1550 nm wurde mit einer SHG auf 775 nm hochkonvertiert. Das Feld pumpte degenerierte PDC für die Erzeugung von gequetschten Vakuumzuständen.
  • Das Messfeld wird mit einem AOM um 40 MHz frequenzverschoben und mit einem unbalancierten Strahlteiler (93/7) mit dem gequetschten Vakuumfeld überlagert.
  • Unser heterodynes LDV erreicht eine Quetschungsverbesserung von mehr als 3 dB bei 40±2 MHz, indem es ausschließlich ein gequetschtes Spektrum verwendet [1].

2. Verbesserung der digitalen Auflösung durch Clipping und synchrone Abtastung

  • Das CNR (in dB) des mit gequetschtem Licht verstärkten Heterodyn-LDV kann einen theoretischen Wert von mehr als 145 dB bei einer Auflösungsbandbreite (RBW) von 1 Hz erreichen, wenn 0,05 mW und 1550 nm Messlicht verwendet werden.
  • Für kommerziell erhältliche ADCs ist es schwierig, einen so hohen Dynamikbereich zu erreichen und gleichzeitig eine hohe Abtastfrequenz einzuhalten.
  • Clipping in Kombination mit nulldurchgangssynchroner Abtastung kann Quantisierungsrauschen bei der digitalen Demodulation vermeiden [2].
  • Eine Verbesserung der Verschiebungsauflösung von 10 fm/Hz1/2 auf 8 fm/Hz1/2 bei einer Messlichtleistung von 0,05 mW mit einem mit gequetschtem Licht verstärkten Heterodyn-LDV.

Veröffentlichungen

[1] Yu, M., Gewecke, P., Suedbeck, J., Schoenbeck, A., Schnabel, R., Rembe, C. (2023). Heterodyne Laser Doppler Vibrometer with squeezed light enhancement. Optica Open, Preprint, https://doi.org/10.1364/opticaopen.23567055.v1

[2] Yu, M., Schewe, M., Bauer, G., & Rembe, C. (2023). Improved demodulated phase signal resolution for carrier signals with small modulation index by clipping and synchronous sampling for heterodyne interferometers. Scientific Reports, 13(1), 8570

[3] Yu, M., Gewecke, P., Schnabel, R. and Rembe, C. (2023) High-precision interferometric vibration measurement with squeezed light: Hochpräzise interferometrische Schwingungsmessung mit gequetschtem Licht. tm - Technisches Messen, Vol. 90 (Issue s1), pp. 79-84. https://doi.org/10.1515/teme-2023-0079

[4] Yu, M., Schewe, M., Bauer G., and Rembe, C. (2021) Impact of a clipped phase-modulated photodiode signal on the demodulated signal In: Journal of Physics: Conference Series. Vol. 2041. DOI: 10.1088/1742-6596/2041/1/012006.

Mengwei Yu, M.Sc.

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

E-Mail: yu@iei.tu-clausthal.de