Self-mixing interferometry for absolute distance measurement: modelling and experimental demonstration of intrinsic limitation - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Access content directly
Theses Year : 2020

Self-mixing interferometry for absolute distance measurement: modelling and experimental demonstration of intrinsic limitation

Interférométrie à rétro-injection optique pour la mesure de distance absolue : modélisation et démonstration expérimentale des limites intrinsèques

Abstract

The fringe disappearance phenomenon in the self-mixing interferometry occurs whenever the external round-trip phase at free-running state is modulated by either external modulation such as external cavity length changes or internal modulation when the laser injection current is modulated with a high back-scattered light power. This phenomenon has been observed by many authors in the context of harmonic motion or vibration application. The core issue in this configuration is the unfeasibility to maintain a constant feedback level over the target course due mostly to speckle or an imperfect alignment. To the best of our knowledge, no accurate explanations or theories on the mechanism on the fringe disappearance phenomenon have been published so far. In this thesis, a novel approach that depicts the mechanism of interferometric fringes disappearance is proposed that highlights with a new perspective the impact of the coupling strength between the laser diode and the external cavity on the number of missing fringes. An absolute distance measurement has been set where the laser diode is operated with modulation of the injection current in the triangle waveform. As compared to the vibration sensing scheme, the absolute distance approach guarantees a stable feedback level thus allowing for more repeatable experiment conditions. The observed experimental results show an agreement with the proposed model on this phenomenon which is based on the excess phase equation. There is also a remarkable demonstration both experimentally and theoretically that the number of missing fringes in the SMI signal can be different between the first modulation ramp as compared to others.
Le phénomène de disparition des franges dans l'interférométrie à rétro-injection optique se produit chaque fois que la phase externe de laser à l'état de fonctionnement libre est modulée par une modulation externe telle que des changements de longueur de cavité externe ou une modulation interne, c’est-à-dire le courant d'injection laser est modulé, avec un retour élevé de la puissance lumineuse de la cible. Ce phénomène a été observé par de nombreux auteurs dans le cadre de l'application de mouvements harmoniques ou de vibrations. Le problème dans cette configuration est l'impossibilité de maintenir un niveau de rétro-injection optique constant sur la cible en raison principalement de l’effet Speckle ou d'un alignement imparfait. A notre connaissance, aucune explication ou théorie précise sur le mécanisme du phénomène de disparition de franges n'a été publiée à ce jour. Dans cette thèse, une nouvelle approche qui décrit le mécanisme de disparition des franges interférométriques est proposée qui met en évidence avec une nouvelle perspective l'impact de la force de couplage entre la diode laser et la cavité externe sur le nombre de franges disparus. Une mesure de distance absolue a été définie où le courant d'injection de diode laser est modulé dans la forme de triangulaire. Par rapport au schéma de détection des vibrations, l'approche de distance absolue garantit un niveau de rétro-injection optique stable permettant ainsi des conditions d'expérience plus reproductibles. Les résultats expérimentaux observés montrent une concordance avec le modèle proposé sur ce phénomène qui est basé sur l'équation de phase. Il y a aussi une démonstration remarquable à la fois expérimentalement et théoriquement que le nombre de franges disparus dans le signal SMI peut être différent entre la première rampe de modulation par rapport aux autres.
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tel-03038359 , version 1 (03-12-2020)

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Cite

Mengkoung Veng. Self-mixing interferometry for absolute distance measurement: modelling and experimental demonstration of intrinsic limitation. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Institut national polytechnique de Toulouse (INPT), 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03038359⟩
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