Applications of self-mixing interferometry for sensors and measuring instruments

Over the last few years Self-mixing Interferometry has taken hold as convenient alternative to other well-established optical measurement techniques. The novelty is represented by the combination of high accuracy, with compact, low-cost and user-friendly setup derived from the synthesis between the physic phenomenon of Interferometry and recently discovered Back-injection configuration. Among the potential applications, displacement measurements play a major role especially in industrial field. In accordance with this, aim of the research is to develop new systems and techniques based on Self-mixing Interferometry. There are two issues associated with this. The first issue is resolution: two methods are proposed to improving that. The first is a closed loop vibrometer which guarantees spatial accuracy down to few nanometers, high linearity, but operating range of about 100 μm. The other method exploits the frequency modulation component of interferometry signal and a fiber optic coupled laser to produce high sensitivity sensors. The FM Self-mixing signal detection is achieved using a Mach-Zehnder filter that maps the frequency variation into intensity variation. The theoretical noise limit reachable is around tens of picometers. The second concerns about the development of novel measuring instruments: it includes the implementation of a device for velocity and absolute distance measurement. By means of a frequency-domain algorithm, it is able to retrieve both types of data simultaneously on a dynamic range of up to 2.5 m. The relative accuracy is 10-4 for distance and 10-3 for velocity. Another device studied and fabricated is an optical proximity sensor in the short range. Novel back-injection effect has been studied and used to reach continuous detection from 0 up to 80 mm. The prototype demonstrated good performances in terms of reliability and bandwidth. It is suitable for monitoring moving objects along a production chain by means of multiple detectors configuration. Finally another application is presented; liquid level measure is achieved by means of Self-mixing Interferometry. The contactless prototype designed by means of high speed electronic and custom optic is the first optical system able to monitor industrial filling process. Test campaign is reported proving the feasibility of this novel approaches.

Nel corso degli ultimi anni, l’interferometria a Self-mixing ha preso piede come comoda alternativa ad altre tecniche di misurazione ottica ben consolidate. La novità è rappresentata dalla combinazione di elevata precisione, compattezza, basso costo e facilità di utilizzo derivati dalla sintesi tra il fenomeno fisico di interferometria e la configurazione a retroiniezione recentemente scoperta. Scopo della ricerca è sviluppare nuovi sistemi e tecniche per applicazioni che svolgono un ruolo importante in ambito industriale quali misure di spostamento e vibrazione. Due punti, in particolare, vengono indagati. Il primo riguarda la risoluzione: i metodi proposti per migliorarla sono due. Il primo è un vibrometro ad anello chiuso che garantisce precisione spaziale fino a pochi nanometri, elevata linearità, ma gamma operativa di circa 100 micron. L'altro metodo sfrutta la componente di modulazione in frequenza del segnale interferometrico ed un laser accoppiato in fibra ottica per ottenere sensori ad alta sensibilità. Il rilevamento del segnale FM si ottiene utilizzando un filtro Mach-Zehnder che mappa la variazione di frequenza in variazione di intensità. Il limite di rumore teorico raggiungibile è di circa decine di picometri. La seconda riguarda lo sviluppo di nuovi strumenti: comprende la realizzazione di un dispositivo per la velocità e la misura di distanza assoluta. Per mezzo di un algoritmo nel dominio della frequenza, è in grado di recuperare entrambi i dati su una dinamica di 2,5 m. La precisione relativa è di 10-4 per la distanza e di 10-3 per la velocità. Un altro prototipo progettato è un sensore di prossimità ottica nel corto raggio: il rilevamento continuo da 0 a 80 mm di oggetti è stato ottenuto sfruttando un effetto di recente scoperta della retroiniezione. Il prototipo ha dimostrato buone prestazioni in termini di affidabilità e larghezza di banda. Esso è adatto al monitoraggio di oggetti in movimento lungo una catena di produzione con la possibilità di utilizzare configurazioni con rivelatori multipli. Una ulteriore applicazione, infine, è rappresentata dalla misura di livello del liquido: il prototipo senza contatto, progettato ad hoc nelle sue componenti elettroniche ed ottiche è il primo sistema ottico in grado di monitorare un processo di riempimento industriale. Una campagna di prove sul campo ha dimostrato la fattibilità di questo nuovo approccio.