Laser-based ranging techniques have become one of the most important techniques at multiple scales, ranging from gravitational wave detection through semiconductor manufacturing metrology to ultra-long-range space-satellite systems. In particular, because laser-based sensing is a fundamental technology in the era of automation and Industry 4.0, ranging techniques with higher performances are becoming increasingly important. In this thesis, an electro-optic sampling-based timing detector is used to detect the time-of-flight (TOF) of femtosecond optical pulses with ultrafast speed and sub-nanometer resolution. This approach enables high-performance strain sensing, three-dimensional (3D) imaging, and real-time monitoring of complex mechanical dynamics. Furthermore, by enhancing the parallel detection capabilities, a line-scan TOF camera capable of measuring the TOF of >1,000 spatial locations at an ultrafast pixel rate is accomplished. As a result, 3D imaging speed has greatly increased, and previously unseen dynamics can now be observed in real-time.
레이저를 이용한 거리 측정 기술은 중력파 검출 등의 초정밀 분야부터, 반도체 공정 등의 산업 분야, 그리고 우주-위성 등의 초장거리 분야까지 다양한 규모의 분야에서 가장 중요한 기술로 활용되고 있다. 특히 레이저 기반 센서 기술은 자동화 시대 및 제4차 산업 혁명의 시대를 이끌 기반 기술 중 하나로, 더 좋은 성능의 거리 측정 및 이미징 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 전-광 샘플링을 이용하여 펨토초 광 펄스의 비행시간을 초고속, 나노미터 이하 분해능으로 측정할 수 있는 기술을 개발하였고, 이를 활용하여 고성능 변형률 센서 및 삼차원 이미징, 그리고 고복잡도의 동역학 측정 기술을 구현하였다. 나아가 병렬 검출성을 더욱 확장하여 1,000 개 이상 다중지점의 높이 및 형상 변화를 초고속으로 측정할 수 있는 비행시간 카메라를 구현하였다. 이를 통해 삼차원 이미징 속도를 크게 향상하였고, 기존에는 관찰하지 못했던 다양한 동역학 현상들을 실시간 고해상도로 측정할 수 있었다.
