We propose the spectrally-resolved interferometry with a Fabry-Perot etalon (FPE) for the measurements of absolute distances using femtosecond laser pulses. The ultrashort pulse laser train emitted from the source is a phase-locked summation of discrete quasi-monochromatic light modes of consecutive frequencies, which can be seen as an optical comb in the frequency domain. The total interference between the reference and measurement arms can therefore be decomposed into a multitude of individual interferences of light modes by use of a spectrometer comprised of a diffraction grating and a line array of photodetectors. Due to the practical limitation in the total number of pixels available in the spectrometer, the original mode density of the optical comb has to be reduced using a FPE filter. Our experimental setup showed that the use of femtosecond laser pulses allows the non-ambiguity range to be extended to ~1.46 mm with a measuring resolution of 7 nm. The overall relative measurement uncertainty was estimated to be in the level of one part in $10^5$ in the range of non-ambiguity range. The maximum measurable distance can be extended to $1.5×10^7 m$ with 10㎛ uncertainty.
And as other applications of this interferometric method, the technique for measuring refractive indices and the spectrally-resolved interferometry with nonlinear optical phenomena were proposed.
본 논문에서는 펨토초 레이저를 이용하여 절대거리를 측정하는 방법을 제안 및 검증하였다. 절대거리를 측정하는 방법으로 분산 간섭계의 원리를 도입하였으며, 기존의 분산 간섭계를 분석하고, 측정 영역의 제한을 개선하는 방법을 제시하였다. 또한 이를 실제적으로 구성하기 위해 패브리 페로 에탈론을 이용한 주파수 필터링 방법을 제시하고 이에 대한 실험적 검증을 수행했다. 그 결과 1.46 ㎜의 애매성 없는 거리 (non-ambiguity range)로 0.91 m까지 측정할 수 있음을 확인하였다. 그리고 불확도를 고려한 결과 상대 불확도로 $10^{-5}$의 결과를 얻었다. 또한 애매성 없는 거리의 개수를 결정하기 위해 펨토초 레이저를 이용한 등가 파장 간섭계와의 복합 간섭계를 구성하였으며, 이를 정확히 결정하기 위한 조건에 대해서 살펴보았다.
한편 수 ㎞ 이상의 긴 절대거리 측정에 대해서는 새롭게 제안한 펨토초 레이저의 펄스 열을 이용한 분산 간섭계로 측정이 가능함을 제시하였고, 검증하기 위한 기초실험을 수행하였다. 결과적으로 $1.5×10^7m$의 측정 영역에 대해서 수 ㎚의 분해능으로 절대거리를 측정할 수 있음을 확인하였다.
두번째로, 제안한 간섭계의 거리 측정이 아닌 다른 응용분야로 임의의 물질의 두께와 굴절율을 동시에 측정하기 위한 방법과 비선형 광학 현상을 이용한 분산 간섭계를 제안하였다. 두께와 굴절율의 동시 측정 방법은 기존의 방법과는 달리 기계적인 구동이 없이 측정이 가능하며, 시편에 의한 분산 효과가 없다는 특징이 있다. 또한 광 주파수에 따른 위상 굴절율도 동시에 측정할 수 있기 때문에 산업적으로 많은 응용이 기대된다. 실험 결과 두께 측정 시 10 ㎚의 반복능과 위상 굴절율 측정 시 기준 데이터와 $10^{-3}$의 차이를 보였다. 두번째로 비선형 광학을 이용한 분산 간섭계를 통해 기존에 측정이 어려웠던 적외선 대역의 측정을 수월하게 할 수 있음을 확인하였고 동시에 제안한 방법을 통해 실리콘 반도체 웨이퍼의 두께와 굴절율을 동시에 측정할 수 있는 가능성이 있음을 제시하였다.
본 연구에서 제안한 절대거리 측정 기술은 $1.5×10^7m$ 의 긴 거리에서 수 nm의 분해능으로 거리를 측정할 수 있기 때문에 많은 응용 분야를 생각할 수 있으며, 그 중에서 우주 산업과 같이 위성 간의 긴 거리를 측정하고 제어하기 위한 센서로의 응용과 산업계에서 기존의 헤테로다인 간섭계의 역할을 대체하는 측정용, 제어용 센서로의 응용이 가능하다. 뿐만 아니라 박막과 같은 임의의 물질의 굴절율과 두께를 측정할 수 있기 때문에 광학적 특성 분석 등의 분야로도 응용이 가능하다. 그러나 이를 위해서는 현재 간섭계의 불확도를 낮추는 노력이 필요하며, 주요 불확도 요인인 분광기의 정확도를 높이기 위해, 높은 주파수 간격을 가지는 안정화된 펨토초 레이저의 개발과 분광기의 분해능과 정확도를 높이는 연구가 수행되어야 한다.
