마하

Dec 10, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12130(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

Mach-Zehnder Fabry-Perot 하이브리드 방식을 기반으로 하는 새로운 유형의 간섭계 섬유 센서가 실험적으로 시연되었습니다. 간섭계는 이중 경로 구성과 광학 공진기의 장점을 결합하여 넓은 주파수 범위에 걸쳐 광섬유의 고유한 열 잡음에 의해서만 제한되는 기록적인 높은 변형 및 위상 분해능을 제공합니다. 기성 부품만 사용하여 센서는 10Hz 및 1f\(\에서 40f\(\varepsilon\)/\(\sqrt{(}Hz)\)의 잡음 제한 변형 분해능을 달성할 수 있습니다. varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\)(100kHz). 적절한 규모 확장을 통해 atto-strain 분해능은 그러한 간섭계를 사용하여 초음파 주파수 범위에 도달할 수 있는 것으로 믿어집니다.

광섬유 간섭계는 광학 감지1, 광섬유 통신2, 광학 컴퓨팅3 및 생체 의학 이미징4,5에서의 잠재적인 응용으로 인해 최근 몇 년 동안 엄청난 관심을 불러일으켰습니다. 특히 수동 간섭계 섬유 센서(IFS)는 매우 높은 신호 해상도에 도달할 수 있으므로 초민감 광 센서 개발에 특히 적합합니다6,7,8,9. 기본적으로 모든 IFS는 동일한 작동 원리, 즉 광학 간섭을 통해 외부 측정량(예: 변형률, 온도, 압력 등)에 의해 유도된 광학 위상/주파수 변동을 조사하는 원리를 기반으로 구축되었습니다1. 작은 신호를 해결하는 IFS의 기능을 최적화하려면 i) 외부 교란(예: 감도)에 대한 센서의 응답을 최대화하고 ii) 원하지 않는 잡음을 최소화해야 합니다.

첫 번째 목표는 날카로운 위상/주파수 식별 기능을 갖춘 간섭계 방식을 사용하여 달성할 수 있습니다. 수년에 걸쳐 \(\pi\)-위상 이동 광섬유 브래그 격자(\(\pi\)-FBG)10,11,12,13, 저광 FBG14, 15,16,17 및 장섬유 Fabry-Perot 간섭계18,19,20,21,22,23. 한편, 소음을 낮추기 위한 노력도 많이 이루어졌습니다. 심문 레이저의 잡음은 일반적으로 수동 IFS 방식에서 지배적이므로 최근 연구의 대부분은 새로운 저잡음 레이저 개발 또는 레이저 안정화 기술 개선에 중점을 두었습니다.

그러나 궁극적으로 IFS의 해상도는 광섬유의 고유한 열 잡음에 의해 제한됩니다. 섬유에는 두 가지 유형의 열잡음이 있습니다. 고주파수에서 빠른 롤오프를 특징으로 하는 열역학적 잡음(열전도성 잡음이라고도 함)은 일반적으로 100Hz26,27 이상의 주파수에서 지배적입니다. 1/f 스펙트럼 특성을 갖는 열기계적 소음은 저주파(예: < 10Hz)28,29에서 지배적인 메커니즘입니다.

열 잡음이 제한된 광섬유 감지를 달성하는 것은 매력적이고 도전적입니다. 센서가 달성할 수 있는 최대 분해능을 나타내기 때문에 매력적입니다. 아주 작은 열 잡음에 도달하려면 매우 높은 감도와 매우 낮은 시스템 잡음을 모두 갖춘 감지 시스템이 필요하기 때문에 어렵습니다. 지난 30년 동안 열 잡음 수준1,33,34,35,36,37,38에서 작동할 수 있는 광섬유 센서를 개발하려는 지속적인 노력이 있었습니다. 일반적으로 이 목표를 달성하기 위해 i) 주파수 차별과 ii) 위상 차별이라는 두 가지 독특한 접근 방식이 취해졌습니다. 주파수 식별 방식에서는 FBG(Fibre Bragg Gating)37 또는 FFPI(Fiber Fabry-Perot Interferometer)38와 같은 광학 공진기를 사용하여 사용할 수 있는 날카로운 스펙트럼 특징(즉, 공명 피크)을 생성합니다. 매우 민감한 광주파수 판별기. 이 접근 방식의 장점은 센서 자체가 일반적으로 1미터 이하로 매우 컴팩트할 수 있다는 것입니다. 그러나 단점은 감지 신호를 레이저 잡음과 구별할 수 없다는 점이며, 이로 인해 종종 질문 레이저가 전체 센서 해상도의 가장 큰 문제가 됩니다. 결과적으로, 주파수 식별 방식으로 열 잡음 제한 작동을 달성하려면 초저잡음 레이저37 또는 매우 정교한 레이저 주파수 안정화 시스템30,38을 배포해야 합니다. 한편, 위상 판별 방식은 Michelson, Mach-Zehnder 또는 Sagnac 구성과 같은 기존 이중 경로 간섭계의 위상 감도를 활용합니다. 레이저의 위상/주파수 잡음은 이러한 간섭계의 공통 모드 잡음이기 때문에 심문 레이저에 대한 요구 사항이 훨씬 낮습니다. 반면, 위상 판별 센서는 충분한 위상 감도를 얻기 위해 팔 길이가 수십 또는 수백 미터를 훨씬 초과하여 상당히 부피가 큰 경우가 많습니다35,36. 포장이 어려울 뿐만 아니라 환경으로 인한 변동에 매우 취약합니다.