Interférométrie à rétro-injection optique pour la mesure de distance absolue : modélisation et démonstration expérimentale des limites intrinsèques

Self-mixing interferometry for absolute distance measurement : modelling and experimental demonstration of intrinsic limitations

• Auteur / Autrice : Mengkoung Veng
• Direction : Julien Perchoux, Francis Bony
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et système optoélectronique
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Bardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Perchoux, Francis Bony, Alexandre Locquet, Santiago Royo, David Citrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Locquet, Santiago Royo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation procédurale

Diodes laser

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Self-mixing interférométrie

Rétro-injection laser

Capteur

Modèle mathématique

Distance absolue

Mesure la distance

Rétro-injection optique

Self-mixing interferometry

Mathematical model

Laser feedback

Sensors

Distance measurement

High coupling factor

Absolute distance

Optical feedback

Résumé

La Self-Mixing Interférométrie (SMI) a été étudiée de manière approfondie au cours des cinq dernières décennies dans diverses applications. Les capteurs selon la technique SMI ont la diode laser comme la source de lumière, l'interféromètre et le détecteur. La lumière de la diode laser se propage vers une cible éloignée où elle est partiellement réfléchie ou rétrodiffusée avant d'être réinjectée dans la cavité active du laser. Lorsque la diode laser subit le retour optique externe, la lumière réfléchie imprimée avec des informations provenant de la cible éloignée ou du milieu de cavité externe induit une perturbation des paramètres de fonctionnement du laser. Pour les capteurs de mesure SMI tels que les applications de mouvement harmonique et de distance absolue, la méthode de comptage des franges est essentiellement utilisée pour déterminer respectivement le déplacement et la distance de la cible. La modélisation du phénomène SMI a été développée. L'équation unique qui décrit la condition de phase imposée par la rétro-injection optique est généralement appelée équation de phase. L'un des paramètres les plus importants cet équation est le paramètre C. Quand le C 1, le comportement du laser est stable. En revanche, quand le C > 1, des phénomènes plus complexes sont observés tels que l'effet d'hystérésis, la présence de multiples fréquences d'émission, la séparation de la ligne d'émission de fréquence causer la saut de mode et le phénomène de disparition des franges. Une approche bien acceptée dans la communauté décrit les régimes de SMI en fonction de la valeur du C de sorte que : le régime faible (0.1 < C < 1), le régime modéré (1 < C < 4.6) et le régime fort (C > 4,6). Le paramètre de rétro-injection C est directement impliqué dans le phénomène de disparition des franges. Bernal et al. a décrit que ce phénomène dépend de la régime qui décrits ci-dessus, c'està-dire que les franges commencent à disparaître uniquement dans le régime forte de la rétroinjection d’optique, tandis que Yu et al. a démontré que le nombre des franges est divisée par 2 dans la région 2 (7,8 < C < 14,0), 3 dans la région 3 (14,0 < C < 20,3) et ainsi de suite. Autres publications a proposé que deux paires de franges interférométriques pour une période complète de modulation disparaissent quand il y a une variation de C de 2. Cependant, à notre connaissance, aucune explication ou théorie précise sur le mécanisme de ce phénomène n'a été publiée jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous rapportons l'observation de la disparition des franges dans le schéma de mesure de distance absolue. Par rapport au schéma de détection des vibrations, l'approche de la distance absolue garantit un paramètre de rétro-injection C stable permettant ainsi des conditions expérimentales plus répétables. Comme la cible est fixée à une certaine distance, l'amplitude de la lumière rétrodiffusée est facile à contrôler en utilisant des atténuateurs d’optiques variables. Les résultats expérimentaux montrent que le nombre de franges interférométriques continue de diminuer dans le signal SMI lorsque l'amplitude du coefficient de réflexion de la cible augmente.

Self-mixing Interferometry has been studied extensively in the last five decades in various sensing applications. Sensors under the SMI technique have the laser diode as the light source, the interferometer, and the detector. The light from the laser diode propagates towards a distant target where it is partially reflected or back-scattered before being re-injected into the active cavity of the laser. When the laser diode experiences the external optical feedback, the reflected light imprinted with information from the distant target or from the external cavity medium induces perturbation to the operating parameters of the laser. For SMI measurement sensors such as harmonic motion and absolute distance applications, the fringe counting method is basically used to determine the target's displacement and distance respectively. Two different approaches to modelling the SMI phenomenon have been developed: the three-mirror cavity and the perturbation of the rate equation. The single equation that describes the phase condition imposed by the optical feedback is usually referred to as the excess phase equation. One of the most important and most useful parameters in the excess phase equation is the feedback parameter C as it can be used to qualitatively categorize the regime of the laser under optical feedback. When the feedback level C < 1, the laser behaviour is stable. On the other hand, when the feedback level C > 1, more complex phenomena are observed such as hysteresis effect, presence of multiple emission frequencies (including the unstable frequencies), apparent splitting of the emission line due to mode hopping and fringe disappearance phenomenon. The fringes disappearance phenomenon in the self-mixing interferometry occurs whenever the external round-trip phase at free-running state is modulated by either external modulation such as external cavity length changes or internal modulation when the laser injection current is modulated with a high back-scattered light power. This phenomenon has been observed by many authors for harmonic motion or vibration application and more recently in the case of the absolute distance measurement scheme when the laser injection current is modulated in the triangle waveform. This phenomenon is highly dependent on the feedback parameter C and it is described in detail based on the coupled cavity model. The primary cause for fringes disappearance is demonstrated to be the expansion of the excess phase equation stable solutions range with the increment of the parameter C, thus reducing the number of stable solutions for a given phase stimulus. This new approach in the modelling of the fringe disappearance phenomenon allows determination of the C values for which a pair of fringes are expected to disappear and as a consequence correlates the number of missing fringes to the value of C. This approach is validated both by a behavioural model of the laser under optical feedback and by a series of measurements in the SMI absolute distance configuration.