We successfully demonstrated improved spectrally-resolved interferometry for absolute distance measurement by using two optical frequency combs. In dual-comb based spectrally resolved interferometer, two femtosecond laser optical frequency combs are used as a signal frequency comb and local oscillator (LO) comb. Signal and LO frequency combs having slightly different mode spacing are tightly phase locked to Rb clock. The signal comb is transmitted to the reference mirror and target mirror. Reflected each comb is heterodyned against the LO comb, yielding a radio frequency (RF) comb containing information on the amplitude and phase of each mode in the signal comb. Since we can transfer information in optical frequency domain to RF domain, distance can be measured precisely from the phase. Our absolute distance measurement system showed a resolution of a few hundreds of nm with an ambiguity range of 1.5 m in 1 s. We also solved dead zone problem which involved in previous research of spectrally-resolved interferometry and other dual-comb system by separating target signal from reference signal depends on its polarization. Finally, we successively demonstrated long distance measurement at 69 m.
본 연구에서는 긴 거리 고분해능의 절대거리측정을 위해 검출이 어려운 광주파수 영역의 정보를 검출이 용이한 라디오 주파수로 이동시키는 멀티헤테로다인(multi-heterodyne)원리를 분광기의 분해능으로 인해 성능이 제한되었던 분산간섭계에 적용하였다. 이로써 모호성 없이 측정할 수 있는 거리를 1.5 m 로 크게 향상 시킬 수 있었다. 이와 유사한 연구가 수행된 적이 있으나 선행 되었던 절대거리 측정 연구에서는 기준거울에서 반사되어오는 신호와 측정대상거울에서 반사되어오는 신호를 하나의 광검출기를 이용하여 검출하기 때문에 두 신호가 겹쳐지는 구간에서는 거리를 측정할 수 없는 dead zone이 발생하였다. 이러한 dead zoned은 주기 적으로 발생하며 긴 거리 측정 시 펨토초 레이저의 펄스폭이 넓어지게 되면 dead zone도 넓어지게 된다.
본 연구에서는 이러한 dead zone을 없애기 위하여 편광특성에 따라 각각의 신호들을 분리하여 검출하는 거리측정 장치를 구현하였고 이를 실험을 통하여 검증하였다.
이중 펨토초 레이저 광빗 기반의 절대거리측정장치의 분해능을 평가하기 위하여 측정대상거울을 1 μm씩 이송시키며 거리를 측정하였고 측정결과를 10 nm 수준의 분해능을 가지는 상용 레이저 간섭계와 비교하였다. 측정결과의 차이는 ±180 nm 이내에서 126 nm 의 표준편차로 분포하는 결과를 얻어 약 100 nm 수준의 거리 분해능을 확인할 수 있었다.
긴 거리 측정을 위해 버니어 효과(Vernier effect)를 이용하여 펨토초 레이저의 반복률이 100 MHz 일 때와 99.99 MHz일 때 두 번 거리측정을 수행하였고 이로써 1.5 m의 모호성 없이 측정할 수 있는 거리를 15 km로 크게 향상 시킬 수 있었다. 이를 약 69 m에서 거리측정을 수행하여 검증하였다.
