Frequency-modulated self-mixing interferometry: theory, noise analysis, and experimental measurements

This thesis examines frequency-modulated self-mixing interferometry and its implementation through optical FM-to-AM conversion filters. The first part of the work presents the theoretical framework of SMI, including optical feedback regimes and noise analysis, with particular attention to laser linewidth and phase noise. A free-space Mach-Zehnder interferometer was implemented as frequency discriminator. Subsequently, by means of an active stabilization circuit driving a piezoelectric actuator, the interferometer operating point was maintained in the region of maximum sensitivity. Experimental measurements were performed to evaluate the time-domain behaviour of the system and the effectiveness of the stabilization circuit.

Questa tesi esamina l'interferometria a retro-iniezione modulata in frequenza e la sua implementazione attraverso filtri ottici per la conversione da FM ad AM. La prima parte della tesi è dedicata al quadro teorico della SMI, comprendente l’analisi dei regimi di retroazione ottica e delle principali sorgenti di rumore, con particolare attenzione alla larghezza di riga e al rumore di fase del laser. È stato realizzato un interferometro Mach-Zehnder in aria come discriminatore di frequenza. Successivamente, mediante un circuito di stabilizzazione attiva che pilota un attuatore piezoelettrico, il punto di lavoro dell'interferometro è stato mantenuto nella regione di massima sensibilità. Sono state infine effettuate misure sperimentali per analizzare il comportamento del sistema nel dominio del tempo e valutare l'efficacia del circuito di stabilizzazione.