Novos sistemas electrónicos de comparación de frecuencias mediante interferómetro Michelson para a estabilización de diodos láser

Este Plan de Investigación forma parte de una línea de investigación del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Vigo cuyo objetivo último es el desarrollo de un sistema de calibración de Bloques Patrón Longitudinales (BPL) mediante técnicas de interferometría con láseres de diodo. La calibración de BPLs se realiza tipicamente aplicando el método de excedentes fraccionarios a una serie de patrones de franjas proporcionados por un sistema interferométrico en el que se emplean por lo menos dos fuentes láser de gas tipo He-Ne ultraestabilizadas en longitud de onda. El proceso precisa de un módulo interferométrico encapsulado con control ambiental fino, un sistema electrónico de control para el posicionado de los BPLs y la modulación de fase óptica y un sistema de adquisición (usualmente con cámaras CCD o CMOS) y el procesamiento de imagen encargado de obtener la fase óptica mediante la combinación apropiada de uno o más patrones de franjas. El proceso de decodificación que proporciona la fase óptica emplea habitualmente Algoritmos de Desplazamiento de Fase (ADF) combinados con un proceso adicional de reconstrucción de fase (“unwrapping”) que proporcione la fase real teniendo en cuenta el orden de las franjas del patrón interferométrico a partir de los valores principales de fase. Durante el proceso la presión atmosférica y humedad relativa deben estar monitorizadas para obtener la variación del índice de refracción del aire empleando la fórmula de Élden. Los equipos comerciales existentes son sistemas cerrados de precio muy elevado y normalmente se sitúan en los laboratorios nacionales de referencia. Uno de los elementos que más los encarece son las fuentes láser ultraestabilizadas de He-Ne, con un ancho de banda inferior a 1 MHz que permite calibrar BPL menores de 100 mm con incertezas menores de 50 nm. Desde hace poco más de una década se vienen desarrollando técnicas para la ultraestabilización de diodos láser, que presentan un precio mucho más alcanzable que los láseres de He-Ne y una estabilidad en longitud de onda similar. La estabilización en la longitud de onda de los diodos se consigue actuando sobre la corriente de alimentación mediante la utilización de fuentes electrónicas de elevada precisión y la temperatura mediante una celda Peltier con control PID. Finalmente, la ultraestabilización se consigue mediante técnicas de anclaje en frecuencia, en las que el haz pasa a través de una celda de gas de referencia, monitorizándose las variaciones de intensidad producidas por la absorción en el gas que depende da frecuencia. Esta señal electrónica es la entrada al circuíto de control que gestiona una red montada sobre un actuador piezoeléctrico, de forma que en función de las diferencias de intensidad detectadas por el fotodetector, se pueden inducir pequeñas variaciones en el ángulo de la red que anclan la longitud de onda del láser. Con este procedimiento, el ancho de banda de los diodos láser se puede reducir a menos de 1 MHz (igual que con los láseres de gas) utilizando la electrónica de control necesaria y con precios mucho más económicos. El presente Proyecto de Investigación se centra en los elementos electrónicos y de programación del sistema de calibración de BPL, en coordinación con el desarrollo en paralelo del sistema óptico que están realizando otros miembros del equipo de investigación. En particular, en la parte electrónica este plan contempla la realización de un medidor de longitud de onda de diodos láser con interferómetro Michelson. El proceso de estabilización con celda de gas queda excluído de este plan ya que para esta tarea se dispone de un sistema comercial (Moglabs), aunque en el futuro no se descarte el desarrollo de un sistema propio. La parte de programación se divide en dos tareas, una de ellas dedicada al sistema de control para adquisición de imágenes de franjas y la otra al posprocesado mediante algoritmos de desplazamiento de fase y reconstrucción de fase o unwrapping.Este Plan de Investigación forma parte dunha liña de investigación do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Vigo cuxo obxectivo último é o desenvolvemento dun sistema de calibración de Bloques Patrón Lonxitudinais (BPL) mediante técnicas de interferometría con láseres de díodo. A calibración de BPLs realízase tipicamente aplicando o método de excedentes fraccionarios a unha serie de patróns de franxas proporcionados por un sistema interferométrico no que se empregan polo menos dúas fontes láser de gas tipo He-Ne ultraestabilizadas en lonxitude de onda. O proceso precisa dun módulo interferométrico encapsulado con control ambiental fino, un sistema electrónico de control para o posicionamento dos BPLs e a modulación de fase óptica e un sistema de adquisición (usualmente con cámaras CCD ou CMOS) e o procesamento de imaxe encargado de obter a fase óptica mediante a combinación apropiada dun ou máis patróns de franxas. O proceso de decodificación que proporciona a fase óptica emprega habitualmente Algoritmos de Desprazamento de Fase (ADF) combinados cun proceso adicional de reconstrución de fase (“unwrapping”) que proporcione a fase real tendo en conta a orde das franxas do patrón interferométrico a partir dos valores principais de fase. Durante o proceso a presión atmosférica e humidade relativa deben estar monitorizadas para obter a variación do índice de refracción do aire empregando a fórmula de Élden. Os equipos comerciais existentes son sistemas pechados de prezo moi elevado e normalmente sitúanse nos laboratorios nacionais de referencia. Un dos elementos que máis os encarece son as fontes láser ultraestabilizadas de He-Ne, cunha anchura de banda inferior a 1 MHz que permite calibrar BPL menores de 100 mm con incertezas menores de 50 nm. Desde hai pouco máis dunha década veñense desenvolvendo técnicas para a ultraestabilización de diodos láser, que presentan un prezo moito máis alcanzable que os láseres de He-Ne e unha estabilidade en lonxitude de onda similar. A estabilización na lonxitude de onda dos diodos conséguese actuando sobre a corrente de alimentación mediante a utilización de fontes electrónicas de elevada precisión e a temperatura mediante unha cela Peltier con control PID. Finalmente, a ultraestabilización conséguese mediante técnicas de ancoraxe en frecuencia, nas que o feixe pasa a través dunha cela de gas de referencia, monitorizándose as variacións de intensidade producidas pola absorción no gas que depende da frecuencia. Este sinal electrónico é unha entrada ao circuíto de control que xestiona unha rede montada sobre un actuador piezoeléctrico, de forma que en función das diferenzas de intensidade detectadas polo fotodetector, pódense inducir pequenas variacións no ángulo da rede que ancoran a lonxitude de onda do láser. Con este procedemento, a anchura de banda dos díodos láser pódese reducir a menos de 1 MHz (igual que cos láseres de gas) utilizando a electrónica de control necesaria e con prezos moito máis económicos. O presente Proxecto de Investigación céntrase nos elementos electrónicos e de programación do sistema de calibración de BPL, en coordinación co desenvolvemento paralelo do sistema óptico que están realizando outros membros do equipo de investigación. En particular, na parte electrónica este plan contempla a realización dun medidor de lonxitude de onda de díodos láser con interferómetro Michelson. O proceso de estabilización con celda de gas queda excluído deste plan xa que para esta tarefa dispónse dun sistema comercial (Moglabs), inda que no futuro non se descarte o desenvolvemento dun sistema propio. A parte de programación divídese en dúas tarefas, unha delas dedicada ó sistema de control para adquisición de imaxes de franxas e a outra ó posprocesado mediante algoritmos de desprazamento de fase e reconstrución de fase ou unwrapping.This Research Plan is part of a line of research in the Department of Applied Physics of the University of Vigo whose ultimate goal is the development of a calibration system for Gauge Blocks using interferometry techniques with diode lasers. Gauge Block Calibration is typically performed by applying the fractional-excess method to a series of fringe patterns provided by an interferometer which employs at least two stabilized He-Ne laser sources. The process requires an interferometric module with fine environmental control, an electronic control system (which controls the positioning of the blocks and the optical phase modulation) and an acquisition system (usually with CCD cameras or CMOS) with image processing algoritms that obtain the optical phase by appropriate combination of one or more fringe patterns. The process that provides the optical phase uses Phase Shift Algorithms combined with an additional phase reconstruction process ("unwrapping") to provide the actual phase taking into account the order of the interferometric fringe patterns. During this process atmospheric pressure and relative humidity must be monitored to obtain the change in the index of refraction of air using Elden's formula. Existing commercial devices are closed systems of high price and usually are placed in National Reference Laboratories. One of the most expensive elements are ultra-stabilized He-Ne laser sources, with a bandwidth of less than 1 MHz that allow to calibrate gauge blocks with lengths less than 100 mm with uncertainties below 50 nm. In last ten years have appeared new techniques for ultra-stabilization of laser diodes which have a much more affordable price than the He-Ne lasers and similar stability. Stabilizing the wavelength of the diode is achieved acting on the supply current using high precision electronic sources and temperature using a Peltier cell with PID control. Finally, ultra-stabilization is achieved by frequency anchoring techniques in which the laser beam passes through a reference gas cell and measuring the intensity variations caused by gas absorption which is frequency dependent. This electronic signal is applied to an electronic circuit that controls a net mounted on a piezoelectric actuator, so that differences depending on the intensity detected by the photodetector, may induce slight variations in the angle of the net anchoring laser wavelength. With this procedure, the bandwidth of the laser diodes can be reduced to less than 1 MHz (as with gas lasers) at affordable prices. This research project focuses on electronics and programming of the gauge block calibration system, in coordination with the development of the optical system that is being made by other members of the research team. It is planned the construction of a wavemeter for laser diodes with a Michelson interferometer. The stabilization process gas cell is excluded from this plan because it has been acquired a commercial system made by Moglabs, although in the future it is not discarded the development of our own stabilization system. The programming part is divided into two tasks, one dedicated to the control system for image acquisition of fringes and the other to the post-processing by Phase Shifting Algorithms and phase reconstruction by unwrapping algorithms