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I/Q-간섭계를 이용한 고분해능 경사각 측정 및 그 응용

High Resolution Tilt Sensor using I/Q-Interferometer and Their Applications

  • 박준규 (Park, June Gyu, 서강대학교 물리학과)

초록/요약

I/Q-간섭계는 일반적인 간섭계와 달리 위상과 진폭을 동시에 독립적으로 측정 할 수 있고 별도의 복잡한 신호 처리 과정 없이 절대적인 위상변화를 측정 할 수 있으며 현재 위상 값과 관계없이 항상 최적의 위상 검지율을 유지 할 수 있다. 본 논문에서는 I/Q-간섭계를 이용해 세 종류의 고분해능 경사각 계측 방법을 제시하고 이를 중력파 측정 장치에 사용되는 거울의 초기 정렬이나 로드셀(load cell)의 변형을 측정해 무게를 측정하는 저울에 활용 하는 방안을 제시 하였다. 또한 간섭계를 이용한 정밀 계측 시 간섭계를 구성하는 광 부품의 편광 오차에 의해 생성되는 주기적인 비선형성을 일정 위상 간섭계를 통해 최소화 하는 방법에 대해 제시 하였다. 일정 위상 간섭계는 간섭계 두 팔의 위상차를 되먹임을 통해 일정하게 유지 하면서 신호 변화를 측정 하는 것으로 변위 측정의 주기적인 비선형성을 100pm 이하로 줄일 수 있음을 보였다. 주사 현미경으로의 응용에서는 일정 위상 방법을 적용하여 이미지에서 간섭계의 주기적인 비선형성을 제거 할 수 있음을 보였다. A folded Mach-Zehnder interferometer(FMZI)는 마하젠더 간섭계의 평행한 두 팔을 꺾어서 거울의 고분해능 경사각 측정에 활용한 것이다. 거울의 각도 변화에 의한 간섭신호의 위상변화를 복조 하기 위해 호모다인과 헤테로다인 I/Q-복조 방법이 모두 사용 될 수 있다. FMZI는 환경잡음에 의한 간섭 신호의 변화를 최소화 할 수 있도록 설계 되었기에 높은 검지율과 신호 안정도를 가질 수 있다. 실험 결과 30Hz 이상에서 의 검지율과, 의 넓은 dynamic range, 40시간 동안 의 신호 안정도를 가진 것으로 확인 되었으며 이는 일본의 중력파 측정 장치인 Kamioka Gravitational Wave Antenna(KAGRA)에 사용되는 초기 정렬용 경사각 측정 장치의 요구 사양을 상회하여 이를 KAGRA의 초기 정렬용 경사각 측정 장치로 이용하는 방안에 대해 논의 하였다. 또 다른 고분해능 경사각 측정 방법으로 double-pass acousto-optic modulator(DPA) 간섭계를 이용하는 것을 제시 하였다. DPA 간섭계를 이용한 경사각 측정에서는 의 넓은 dynamic range와 10Hz 이상에서 의 검지율 달성 하였다. DPA 간섭계는 각도 측정 혹은 변위 측정 방법으로 로드셀의 변형을 측정해 무게 측정을 하는 저울을 제시 하였으며 제시된 방법으로 최대용량 1kg에 대해 분해능 2mg을 달성 하였다.

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초록/요약

An I / Q- interferometer has the following advantages over the conventional interferometer: (1) It can measure the phase and amplitude simultaneously, (2) It can measure the actual phase value without any complicated calibration procedure, and does not require any feedback control for maintaining an optimum sensitivity. In this thesis, we are proposing three different I/Q-interferometer schemes for precision tilt measurements. Applications of our new interferometric tilt sensor schemes on initial alignment of a mirror in the gravitational wave detector and reading out deformation of the load cell in the extremely high resolution weight measuring instrument will be discussed. We will also show that the periodic nonlinearity which is a systematic noise for a high resolution, wide dynamic range displacement measurement caused by incomplete polarization sensitive optical components, can be minimized by employing our newly proposed constant phase tracking scheme (CPTS). In the CPTS, the relative phase difference between two arms of the interferometer is maintained at the fixed value for optimum demodulation by using a feedback control loop. It will be shown that the CPTS can suppress the periodic nonlinearity down to less than 100 pm. The CPTS is used for the scanning microscope applications and we will show that the CPTS can provide high quality images in which interferences caused by the periodic nonlinearity are significantly rejected. A folded Mach-Zehnder interferometer (FMZI) scheme is proposed for measuring a small tilt of the target mirror which is inserted in the interferometer and folds two arms of the MZI. Both homodyne and heterodyne I/Q-demodulation schemes are used for reading out the small phase change caused by the tilt of a mirror. Application of the FMZI scheme for initial tilt alignment of a mirror in the gravitational wave detector will be discussed. The FMZI is specially designed to minimize interferences caused by environmental perturbations. The FMZI has excellent sensitivity at above 30 Hz, a wide dynamic range , and a long term stability for 40-hour stability, which satisfy requirements for the initial alignment of the mirrors the Kamioka Gravitational Wave Antenna (KAGRA) We will also show that the double-pass acousto-optic modulator (DPA) interferometer can be used for precision tilt measurements. We will show that the minimum tilt angle that can be measured by using the DPA is ~10 with dynamic range at above 10Hz. The DPA is applied for reading out either the displacement or the tilt of the load cell in a precision weighing scale. We will show that the readout sensor can resolve 2 mg in 1 kg weight.

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