A femtosecond laser based high-resolution LIDAR system consisting of high-resolution time-of-flight (TOF) measurement and broadband Fourier transform spectroscopy (FTS) is described. Extremely short pulsewidth characteristics of the femtosecond laser in time domain is exploited in high-resolution TOF measurement. In frequency domain, the femtosecond laser shows broad bandwidth and high frequency stability which are exploited in broadband FTS.
The conventional TOF principle measuring the traveling time of long propagating pulse has been most widely adopted technology in distance metrology. Due to the its powerful advantage of measurable range from several meters up to even hundreds of kilometers, the TOF measurement have been applied to not only industrial field which needs large-scale 3D coordinate measurement but also space missions including satellite laser ranging(SLR) or distance measurement between satellites to operate formation-flying. However, achievable resolution of TOF measurement using laser pulses reaches only a few millimeters at best. This limitation attributes to direct conversion of optical pulse to microwave pulse in detection part of which state-of-the art bandwidth is available at picosecond range. To overcome limited resolution of conventional TOF, directly extracting distance information in optical domain by using of a femtosecond pulse laser and nonlinear characteristics of second harmonic generation crystal is exploited. The timing difference between femtosecond pulses is traced with precision of less than 1 fs, which corresponds to a sub-micrometer resolution in distance. The ambiguity range is extended to 30 km simply by tuning the repetition rate of the femtosecond laser with reference to an atomic clock of time standard. Furthermore, by using fiber-based femtosecond lasers as the light sources enables fulfillment of the important auxiliary requirements of compactness, reliability and low power consumption. The high resolution performance is evaluated in laboratory environment by comparison with commercial laser interferometer resulting in 10 nm (at 5 ms) and long-distance measurement in ambient environment is also demonstrated which shows 150 nm (at 5 ms) resolution over 0.7 km. An indirect analysis based on Allan deviation using lock-in control signal shows achievable resolution could reach up to 1 nm (at 1 s) in free-space environment.
In the case of conventional FTS, wide-range mechanical scanning with careful displacement monitoring is required to achieve a sufficient resolution with expense of the measurement speed. To overcome the limitation of conventional FTS, the repetition-rate sweeping based FTS using a femtosecond laser is proposed, which offers a substantially amplified scanning range by cavity length control of the femtosecond laser. By controlling the cavity length using phase-locked loop, displacements for FTS are measured with superb precision and direct traceability to the frequency standard. Furthermore, the femtosecond laser also offers the accurate sampling and the broadband spectrum by the super-continuum generation. To demonstrate the feasibility of the principle, a femtosecond laser based FTS system is developed and applied to spectroscopic absorption measurement with a 10 m-long optical fiber. The resulting resolution corresponds to 9 GHz, which is successfully verified by using a fiber-Bragg grating (FBG) with a 100 GHz transmission window.
본 연구에서는 펨토초 레이저를 이용한 고분해능 비행시간법 (time-of-flight) 기반 절대거리측정 및 퓨리에 변환 분광 기술을 이용한 라이다 기술을 구현하였다. 펨토초 레이저는 시간영역에서 좁은 펄스폭을 가지고 주파수 영역에서는 넓은 밴드폭을 가지기 때문에 이러한 특성은 각각 고분해능 절대거리 측정과 광대역 분광기술에서 큰 장점을 가진다. 기존의 비행시간법거리측정은 펄스가 발사된 기준 시점과 측정대상물에서 반사되어 되돌아온 펄스의 검출시점 사이의 시간차를 측정하여 거리를 측정하는 원리이다. 이러한 비행시간법 거리측정은 수 m ~ 수백 km 영역의 긴 영역에서 거리 모호성(distance ambiguity) 없이 거리를 측정할 수 있다는 장점이 있고 비교적 구현이 방법이 간단하기 때문에 조선산업, 항공산업과 같은 거대제조업 분야에서의 3차원 형상 측정을 비롯하여 토목, 건축, 도시개발에 필요한 지상기반(groundborne) 또는 비행체기반(airborne)의 측지측량 (geodetic survey) 분야에 적용되고 있으며 특히 인공위성 레이저 추적 시스템(SLR), 레이저 고도계(laser altimeter) 및 인공위성간의 거리측정과 같은 우주개발 분야에도 다양하게 응용되고 있다. 하지만 이러한 기존 방식의 비행시간법 측정은 펄스간 시간차 측정을 위해 광 펄스를 전기적인 펄스신호로 변환하는 과정에서 광검출기 및 전자회로의 수 ps 수준의 반응속도에 제한을 받게 되며 이로 인해 거리 측정 분해능이 수 mm 수준으로 제한되는 한계점이 있다. 본 연구에서는 장거리측정 시 분해능을 수 ㎛ 이하로 가져가기 위해 10-15 초 수준의 좁은 펄스 폭 및 높은 첨두출력 (peak power)을 가지는 펨토초 레이저와 펨토초 펄스의 시간차를 정밀하게 측정하기 위한 광상호상관(optical cross-correlation)를 이용하여 고분해능 비행시간법 절대거리측정원리를 구현하였다. 구현된 고분해능 비행시간법 절대거리측정기의 성능을 평가하기 위해 실험실 환경의 약 1.5 m 거리에서 기존의 레이저 간섭계와의 비교를 통해 10 nm 수준의 분해능을 보였다. 또한 장거리에서의 분해능 검증을 위하여 KAIST 캠퍼스 내 약 0.7 km 의 거리를 측정하였다. 이를 통해 약 150 nm 의 측정 분해능 성능을 보였으며 이때 분해능의 한계는 외부환경에 의한 잡음이 주된 요인이다. 이러한 외부환경 잡음 요인이 없는 진공상태에서는 알란편차 (Allan deviation)를 이용하여 분해능을 측정거리 및 평균시간(averaging time)에 따라 분석한 결과 10 ms 수준의 평균시간에서는 8.7 nm 그리고 1 초의 평균시간에서는 1.1 nm 수준의 분해능 도달이 가능한 것으로 평가되었다. 기존의 분광기술의 경우에 퓨리에 변환 분광은 광대역에서 한번의 측정을 통해 전체 스펙트럼 획득이 가능한 퓨리에 변환 분광기술이 큰 장점이 있으나 고분해능 구현을 위해서는 마이켈슨 간섭계의 긴 기계적 이송과정이 필요하였다. 본 연구에서는 이러한 퓨리에 변환 분광기술에서 빠른 시간에 고분해능 및 광대역 분광을 위해 광섬유 기반의 마이켈슨 간섭계와 펨토초 레이저를 적용하였다. 구현된 광섬유 마이켈슨 간섭계는 기준팔과 측정팔의 길이에 서로 큰 차이가 있으며 이때 광원 반복률을 주사(sweeping) 하게 되면 광검출기에서 펄스간의 시간차 주사가 가능하게 된다. 이를 통해 기계적 이송없이 큰 펄스간 시간차 주사가 가능하게 되고 광섬유 길이차를 크게 줄 경우 더 높은 분해능 획득이 가능하다는데 큰 장점이 있다. 구현된 퓨리에 변환 분광기의 성능 평가를 위해 10 m 정도의 기준팔, 측정팔의 광섬유 길이차를 준 간섭계를 구현을 하였으며 이는 약 9 GHz 수준의 광주파수 분해능 성능을 보인다. 이러한 분광기를 이용하여 약 100 GHz 수준의 흡수선을 갖는 광섬유 브래그 격자의 스펙트럼을 성공적으로 분해하였다.
