Continuous wave frequency modulated optical feedback (CWFM-OF) : theory and applications

Abstract

Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten zur Entwicklung neuer Sensorstrategien, basierend auf Phänomenen der optischer Rückkopplung, in Kombination mit die Intensitätsmodulation des Lasers. Optische Rückkopplung, ein Phänomen, bei dem ein Teil des vom Laser emittierten Felds in die Kavität zurückgeleitet wird, wurde früher im Kontext der Glasfaserkommunikation aufgrund der Einführung von Laser-Instabilitäten als störend angesehen. Heutzutage wird optische Rückkopplung als leistungsfähiger photonischer Sensor für praxisorientierte Anwendungen in Betracht gezogen. Optische Rückkopplung beeinflusst einige Betriebsparameter des Lasers (wie den Facettenreflektionskoeffizienten, die Verstärkung oder die Photonen- und Ladungsträgerdichte) und verändert letztendlich die emittierte Intensität. Die Beziehung zwischen optischer Rückkopplung, Intensität und Frequenzmodulation ist interessant, weil sie einen günstigen Halbleiterlaser in einen kompletten interferometrischen Sensor konvertiert, in dem der Laser als Quelle, Detektor und Medium, in dem die Interferenz stattfindet, dient, was ihn tauglich macht für berührungslose und zerstörungsfreie Detektion. Die Untersuchung in dieser Arbeit soll einen Beitrag leisten zu verschiedenen Gebieten der optischen Rückkopplungs-Interferometrie, von der theoretischen Formalisierung des Verständnisses der Transferfunktion eines Lasers unter optischem Feedback basierend auf Streutheorie, bis zur Signalverarbeitung des optischen rückgekoppelten Signals (optical feedback signal, OFS) gleichzeitig in der Zeit- und Frequenzdomäne mittels Wavelet-Transformation, um Rauschen zu entfernen, Speckle zu regeln, und die vibrationsverwandten Parameter periodischer und transienter Vibrationen alle in einem einzigen Arbeitsschritt zuextrahieren. Außerdem werden, basierend auf der Lang-Kobayashi-Gleichung, die experimentellen Befunde zu den theoretischen Vorhersagen genutzt, um den Laser sogar bei starker Rückkopplung zu stabilisieren, indem Injektionsmodulation genutzt wird, und man sich die Tatsache zu Nutze macht, dass die Frequenzabweichung in der Laseremission durch optische Rückkopplung der Frequenzabweichung durch Injektionsmodulation entgegenläuft. So fügen Sie auf, jedoch hat sich der wichtigste Beitrag dieser Arbeit war in der Tiefe noch eine weitere Variante von OFI zu entwickeln, die wir Continuous Wave Frequency Modulation Differential Optical Feedback-Interferometrie (CWFM-DOFI) benannt, der die nichtlineare Dynamik kombiniert aufgrund oF und Injektionsmodulations Lichtwegdifferenzen unter die Hälfte der Emissionswellenlänge zu messen, mit Auflösungen unter im einzelnen nm-Bereich, unter Beibehaltung der Versuchsaufbau gleiche wie die der klassischen OFI. Unter den breiten Bereich von möglichen Anwendungen hat sich die vorgeschlagene Methode getestet worden, um die Schwingung der Membran eines akustischen Wandlers zu charakterisieren und die momentane Oberflächenverschiebung eines entfernten Ziels aufgrund von akustischen Strahlung zu detektieren tion Druck, um die akustische Feldmuster über die Soll-Verschiebungs zu dem optischen Strahl zu übertragen. Diese Arbeit erweitert den Anwendungsbereich von OFI im Allgemeinen auf Anwendungen als Sensor in der Laser-Ultraschall, akustischen Holographie und photoakustische Bildgebung, unter anderem.

Paradoxically optical feedback (OF) (the phenomenon in which a fraction of the optical field emitted by a laser is fed back into its cavity), that was once considered an undesired phenomenon in the context of optical fibre communications because it introduces instabilities in the laser, has proven to be extremely useful in different real world photonic sensing applications. The optical feedback affects the internal parameters of the laser, such as the facet reflection coefficient, the laser gain, the photon and carrier density, and ultimately the emitted intensity from the laser. This direct relationship among the OF, intensity and frequency modulation is appealing because it transfigures the laser into a complete interferometric set-up where the laser itself acts as source, detector and interfering media all in one, suited for non-contact, non-destructive photonic sensing. The study in this Thesis contributes to different areas of optical feedback interferometry (OFI): from the theoretical formalization of understanding the transfer function of the laser under OF based on scattering theory, to signal processing of the optical feedback signal (OFS) in time and frequency domain simultaneously using the wavelet transform for combating noise, speckle management and extraction of the vibration related parameters of periodic and transient vibrations all in a single processing step. Furthermore, based on the Lang-Kobayashi formulation, experimental evidences are shown of the ability of injection modulation to stabilize the laser even under strong feedback conditions, taking advantage of the fact that the frequency deviation produced in the laser emission by OF is in opposite direction to that of injection modulation. To add on, however, the main contribution of this Thesis has been to develop yet another variant of OFI, continuous wave frequency modulated differential optical feedback (CWFM-DOF), that combines the non-linear dynamics due to OF and that due to injection modulation to measure the optical path difference (OPD) below half the emission wavelength with resolution way below the classical optical feedback (C-OF), while keeping the experimental setup the same as that of C-OF. Among the broad range applications which would benefit from such a sensor, such as Photo-acoustic tomography (PAT) or laser ultrasonic (LUS), the proposed methodology is tested to characterize the vibration of membrane of an acoustic transducer and to measure the displacement of a metallic target due to the acoustic pressure. Thus, the Thesis extends the performance of OFI sensors and covers in detail the theoretical and experimental aspects of CWFM-DOF, and its application to the detection of very small perturbations.