KR102088501B1 - Apparatus and method for measuring ultrafine displacement using PDH locking - Google Patents

Apparatus and method for measuring ultrafine displacement using PDH locking Download PDF

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Abstract

An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for measuring ultra-fine displacement using a PDH locking technique, which allows a slight shape change caused by a thermal change or the like in an optical component, which is a measurement target, and the degree to which performance becomes unstable accordingly to be reliably evaluated in all frequency bands. More specifically, an object of the present invention is to provide the apparatus and the method for measuring the ultra-fine displacement using the PDH locking technique, which use the PDH locking technique in reverse so that it is possible to effectively measure a stability level due to the small change in a resonance frequency generated in the measurement target based on a stable laser light source.

Description

ＰＤＨ 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 장치 및 방법 {Apparatus and method for measuring ultrafine displacement using PDH locking}Apparatus and method for measuring ultrafine displacement using PDH locking}

본 발명은 광학 부품의 안정도 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광학 부품에서 열적 변화 등에 의해 일어나는 미소 형상 변화 및 이에 따른 성능이 불안정해지는 정도를 모든 주파수대역에서 신뢰성있게 평가할 수 있도록 하는, PDH 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for evaluating the stability of an optical component, and more specifically, to make it possible to reliably evaluate in all frequency bands a degree of unstable performance and microscopic shape change caused by thermal changes in the optical component. , It relates to an ultra-fine displacement measuring apparatus and method using the PDH locking technique.

일반적으로 광학을 이용하는 장치에 있어서, 비근한 예로 렌즈의 경우 렌즈와 대상 간의 거리가 초점 거리로 정확하게 맞춰져야 올바른 상이 맺히게 되는 등과 같이, 광학 부품들 간의 거리는 장치 자체의 성능, 신뢰성, 안정성 등에 상당한 영향을 주게 된다. 다른 구체적인 예로서, 중력파 측정 장치(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO)는, 하나의 레이저 광을 빔 스플리터로 나누어 각각 X축, Y축에 나란하게 배치되는 한 쌍의 공진기에 입사시켜 공진시키고, 이렇게 공진된 광을 하나의 포토 디텍터로 입사시켜 간섭 신호를 구하는 방식을 사용하는 간섭계이다. 중국특허공개 제104280785호("Space laser interferometer gravitational wave detector design based on TRIZ and method thereof", 2015.01.14) 등에 이러한 중력파 측정 장치의 원리가 잘 개시된다. 이러한 중력파 측정 장치의 경우에는, 각각의 공진기를 구성하는 한 쌍의 미러들 간의 거리가 장치의 성능 및 측정 결과의 정확성 등에 직접적인 영향을 끼치게 된다.In the case of a device using an optical system in general, the distance between the optical parts has a significant effect on the performance, reliability, and stability of the device itself, such as in the case of a lens, such that a correct image is formed when the distance between the lens and the object is precisely adjusted to the focal length. do. As another specific example, a gravitational wave measuring device (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO), by dividing one laser light into a beam splitter, and resonates by entering a pair of resonators arranged parallel to the X and Y axes, This is an interferometer that uses the method of obtaining the interference signal by injecting the resonant light into one photodetector. Chinese Patent Publication No. 104280785 ("Space laser interferometer gravitational wave detector design based on TRIZ and method thereof", 2015.01.14), etc., the principle of such a gravity wave measuring device is well disclosed. In the case of such a gravitational wave measuring device, the distance between a pair of mirrors constituting each resonator directly affects the performance of the device and the accuracy of the measurement result.

도 1은 광을 이용하여 한 쌍의 대상 간의 거리를 측정하는 원리를 간략히 설명하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, l만큼 거리가 떨어져 있는 한 쌍의 대상 사이에 광을 입사시키고, 이 광이 공진 조건을 만족하였을 때의 광의 파장을 λ라 한다. 광의 주파수는 f라 하면 λ = c/f (c는 광속)의 식이 성립하며, 거울 2개로 이루어진 공진기의 경우 왕복 거리가 빛의 총 이동 거리가 되므로 l = mλ/2 = mc/2f (m은 정수)의 식이 성립한다. 즉 한 쌍의 대상 간의 거리 l은 f의 함수가 되는 것이다. 이 때 공진 조건을 만족하는 광의 파장은 복수 개가 있을 수 있으며, l = mλ/2 식에서 l은 미지수, λ는 알고 있는 수, m은 미지수지만 정수라는 조건이 있으므로, 복수 개의 λ1, λ2, …를 넣고 복수 개의 m1, m2, …에 관한 연립방정식을 풂으로써 한 쌍의 대상 간의 거리 l을 구할 수 있다.1 is a view briefly explaining the principle of measuring the distance between a pair of objects using light. As illustrated in FIG. 1, light is incident between a pair of objects spaced apart by l, and a wavelength of light when the light satisfies a resonance condition is called λ. If the frequency of light is f, the formula of λ = c / f (c is the speed of light) holds, and in the case of a resonator composed of two mirrors, l = mλ / 2 = mc / 2f (m is Integer) formula. That is, the distance l between a pair of objects becomes a function of f. At this time, there may be a plurality of wavelengths of light satisfying the resonance condition, l = mλ / 2 in the equation l is unknown, λ is a known number, m is unknown, but there is a condition that is an integer, a plurality of λ1, λ2,… Put a plurality of m1, m2,… The distance l between a pair of objects can be found by solving the system of equations for.

예를 들어 공진기를 구성하는 한 쌍의 미러 간의 거리 l 및 공진주파수 f도 도 1과 같은 방식으로 구할 수 있다. 최초에 한 번 한 쌍의 미러 간의 거리 l을 구한 후 이 거리가 전혀 변화가 없는 이상적인 경우라면, 해당 공진기의 공진주파수는 f로 상수값이 될 것이다. 그러나 실제 환경에서는 기계적 진동 등과 같은 외부 영향으로 인하여 한 쌍의 미러 간의 거리가 변경될 가능성이 있고, 이러한 경우 공진주파수 f 값도 변화한다. 상술한 l, f 등과 같은 값은 공진기를 포함하여 구성되는 장치 내 여러 부분에서의 신호를 산출하는데 사용되기 때문에, 이처럼 l, f 값이 변화되었을 경우 최초에 결정된 l, f 값을 사용하여 계산을 수행할 경우 측정 결과에 당연히 오차가 발생하게 되어, 장치 신뢰성, 정확성 등이 저하되는 문제가 있다.For example, the distance l between the pair of mirrors constituting the resonator and the resonance frequency f can also be obtained in the same manner as in FIG. 1. After obtaining the distance l between a pair of mirrors once at first, if this distance is an ideal case where there is no change at all, the resonance frequency of the resonator will be a constant value in f. However, in an actual environment, there is a possibility that the distance between a pair of mirrors may change due to external influences such as mechanical vibration, and in this case, the resonance frequency f value also changes. Since the above-described values such as l and f are used to calculate signals in various parts of the device including the resonator, when the values of l and f are changed as described above, calculation is performed using the first determined l and f values. When performing, there is a problem that, of course, an error occurs in the measurement result, and thus device reliability and accuracy are deteriorated.

물론 이러한 문제를 방지하기 위하여 장치 설비 시 기계적 진동 등으로 인한 노이즈가 없는 이상적인 환경을 조성하기 위한 많은 노력이 이루어지고 있다. 그러나 이처럼 기계적 진동 등으로 인한 노이즈를 최대한 배제한다 하더라도 피할 수 없는 것이 바로 열적 노이즈(thermal noise)이다. 공진기가 존재하는 환경의 온도가 0이 아니기 때문에 공진기 미러를 구성하는 분자는 운동 에너지를 가지고 있으며, 이에 따라 아주 미소하게라도 미러 표면의 형상이 변화하여 미러 간 거리 값 l에 미소 변화를 초래하게 된다. 뿐만 아니라, 미러 표면 전체에 광이 균일하게 들어가는 것이 아니라 광축을 중심으로 가우시안 분포 등의 형태로 된 광량 분포가 형성되며, 이러한 광량 분포 차이에 따라 온도 구배가 발생하는데, 이러한 온도 구배로 인하여 역시 표면 형상의 열변화, 공기 굴절률 변화 등이 발생하며, 이 역시 미러 간 거리 값 l에 미소 변화를 초래한다.Of course, in order to prevent such a problem, a lot of efforts have been made to create an ideal environment free of noise due to mechanical vibrations during installation of the device. However, even if noise due to mechanical vibration is excluded as much as possible, thermal noise is inevitable. Since the temperature of the environment in which the resonator is present is not 0, the molecules constituting the resonator mirror have kinetic energy, so even if it is very small, the shape of the mirror surface changes and causes a small change in the distance l between the mirrors. . In addition, light does not uniformly enter the entire mirror surface, but a light quantity distribution in the form of a Gaussian distribution is formed around the optical axis, and a temperature gradient occurs according to the difference in the light quantity distribution. Thermal changes in shape, changes in air refractive index, and the like also cause minute changes in the distance value l between mirrors.

일반적인 용도의 광학 장치의 경우라면 이 정도의 미소 변화가 장치 성능에 크게 영향을 주지 않아 무시할 수 있는 수준이나, 앞서 설명한 중력파 측정 장치(LIGO) 등과 같은 경우에는 초정밀 수준의 정확성 및 정밀성이 요구되는 바, 상술한 바와 같은 미소 변화가 측정 결과에 무시할 수 없는 영향을 줄 가능성이 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는, 이러한 광학 장치에 포함되는 공진기( 등과 같은 광학 부품)에 있어서 상술한 열적 안정성 레벨이 어느 정도 되는지 정확하게 측정하고 평가할 필요가 있다. 그런데, 예시의 중력파 측정 장치의 경우 일반적으로 레이저 광 출력이 수십 W 수준으로 되는 조건에서 운용되고 있는데, 이러한 정도의 미소 변화 정도까지 측정하기 위해서는 레이저 광 출력을 수십 kW 수준으로 높여야 한다. 즉 실질적으로 산업계에서 사용되는 장치들에서, 이러한 광학 부품 간 미소 변화에 따른 안정성 레벨을 측정해 내기에는 어려움이 있다.In the case of general-purpose optical devices, this small change does not significantly affect the performance of the device and can be neglected. However, in the case of the gravitational wave measuring device (LIGO) described above, accuracy and precision at the level of ultra-precision are required. , There is a possibility that the minute change as described above has a negligible effect on the measurement result. In order to solve this problem, it is necessary to accurately measure and evaluate how much the above-mentioned thermal stability level is in a resonator (such as an optical component) included in such an optical device. By the way, in the case of the example gravity wave measuring apparatus, the laser light output is generally operated under the conditions of several tens of W, but in order to measure the degree of micro-change of this degree, the laser light output should be increased to several tens of kW. In other words, in devices used in the industry, it is difficult to measure the stability level due to the small change between these optical components.

1. 중국특허공개 제104280785호("Space laser interferometer gravitational wave detector design based on TRIZ and method thereof", 2015.01.14)1. China Patent Publication No. 104280785 ("Space laser interferometer gravitational wave detector design based on TRIZ and method thereof", 2015.01.14)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 측정 대상인 광학 부품에서 열적 변화 등에 의해 일어나는 미소 형상 변화 및 이에 따른 성능이 불안정해지는 정도를 모든 주파수대역에서 신뢰성있게 평가할 수 있도록 하는, PDH 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은, PDH 잠금 기법을 역으로 이용하여 안정적인 레이저 광원을 기준으로 측정 대상에서 발생하는 공진주파수의 미소 변화로 인한 안정성 레벨을 효과적으로 측정할 수 있도록 하는, PDH 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the problems of the prior art as described above, and the object of the present invention is to measure the degree of unstable performance and micro-shape changes that occur due to thermal changes in the optical component to be measured. Disclosed is an apparatus and method for measuring ultra-fine displacement using a PDH locking technique that enables reliable evaluation in a frequency band. More specifically, the object of the present invention is to use the PDH locking technique reversely, to enable the PDH locking technique to effectively measure the stability level due to a small change in the resonance frequency generated in the measurement object based on the stable laser light source. It is to provide an ultra-fine displacement measuring apparatus and method using a.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PDH 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 장치(100)는, 적어도 한 쌍의 미러를 포함하여 광의 공진이 이루어지는 광학 부품 형태로 이루어지는 측정대상(500)에 대하여, 상기 한 쌍의 미러 간 거리의 변화에 의한 공진주파수 변화 정도를 통해 상기 측정대상(500)의 안정성을 평가하는, 초미세 변위 측정 장치(100)에 있어서, 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진하는 레이저광원부(110); 상기 레이저광원(110)에서 발진된 광의 주파수를 천이시켜 상기 측정대상(500)에 인가하는 주파수천이부(120); 상기 측정대상(500)과 연결되어 상기 측정대상(500)의 광을 잠금(locking)시키는 PDH부(Pound-Drever-Hall module, 130); 상기 PDH부(130)로부터 에러신호를 전달받아 상기 주파수천이부(120)에서 상기 측정대상(500)에 인가하는 광의 주파수를 피드백 제어하여 조절하도록 제어신호를 인가하는 제어부(140); 상기 PDH부(130)로부터 에러신호를 전달받고, 상기 제어부(140)로부터 제어신호를 전달받아, 에러신호 및 제어신호의 크기를 사용하여 상기 측정대상(500)의 안정성을 평가하는 분석부(150); 를 포함할 수 있다.The ultra-fine displacement measuring apparatus 100 using the PDH locking technique of the present invention for achieving the above object, the at least one pair of mirrors to the object to be measured in the form of an optical component in which the resonance of the light is made 500 In contrast, in the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 for evaluating the stability of the measurement target 500 through the degree of change in the resonance frequency due to the change in the distance between the pair of mirrors, the light stabilized at a predetermined frequency An oscillating laser light source unit 110; A frequency shifting unit 120 for shifting the frequency of the light oscillated from the laser light source 110 and applying it to the measurement target 500; A PDH unit (Pound-Drever-Hall module, 130) connected to the measurement object 500 to lock light of the measurement object 500; A control unit 140 receiving the error signal from the PDH unit 130 and applying a control signal to feedback control and adjust the frequency of light applied from the frequency shift unit 120 to the measurement target 500; An analysis unit 150 that receives an error signal from the PDH unit 130, receives a control signal from the control unit 140, and evaluates the stability of the measurement target 500 using the size of the error signal and the control signal ); It may include.

이 때 상기 분석부(150)는, 상기 측정대상(500)의 잠금 주파수대역(locking bandwidth)을 기준으로, 잠금 주파수대역 이상의 주파수대역에서는 에러신호를 취하고, 잠금 주파수대역 이하의 주파수대역에서는 제어신호를 취하여, 전체 주파수대역에서 에러신호 및 제어신호가 취합되어 산출된 안정성 레벨을 도출하도록 이루어질 수 있다.At this time, the analysis unit 150, based on the locking frequency (locking bandwidth) of the measurement target 500, takes an error signal in a frequency band above the lock frequency band, and a control signal in a frequency band below the lock frequency band Taking, it may be made to derive the calculated stability level by combining the error signal and the control signal in the entire frequency band.

또한 이 때 상기 분석부(150)는, 미리 결정된 안정성 레벨 기준을 기준으로 상기 측정대상(500)에서 도출된 안정성 레벨을 비교하여 안정성을 평가하도록 이루어질 수 있다.In addition, at this time, the analysis unit 150 may be configured to evaluate stability by comparing the stability level derived from the measurement target 500 based on a predetermined stability level criterion.

또한 상기 레이저광원부(110)는, 광섬유 격자(fiber grating)를 사용하여 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진시키도록 이루어질 수 있다.In addition, the laser light source unit 110 may be configured to oscillate light stabilized at a predetermined frequency using a fiber grating.

또한 상기 주파수천이부(120)는, AOM(Acousto-Optic Modulator)일 수 있다.In addition, the frequency shift unit 120 may be an AOM (Acousto-Optic Modulator).

또한 본 발명에 의한 PDH 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 방법은, 상술한 바와 같은 초미세 변위 측정 장치(100)를 이용한 초미세 변위 측정 방법에 있어서, 상기 레이저광원부(110)가 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진하는 단계; 상기 주파수천이부(120)가 상기 레이저광원(110)에서 발진된 광의 주파수를 천이시켜 상기 측정대상(500)에 인가하는 단계; 상기 측정대상(500)에서 상기 측정대상(500)의 공진주파수에 해당하는 광이 공진을 일으키되, 상기 측정대상(500)에서 공진되지 않은 광이 상기 PDH부(130)로 전달되는 단계; 상기 PDH부(130)가 상기 측정대상(500)에서 공진되지 않은 광을 에러신호로서 출력하는 단계; 상기 제어부(140)가 상기 PDH부(130)로부터 에러신호를 전달받아 상기 주파수천이부(120)에서 상기 측정대상(500)에 인가하는 광의 주파수를 피드백 제어하여 조절하도록 제어신호를 인가하는 단계; 상기 분석부(150)가 상기 PDH부(130)로부터 에러신호를 전달받고, 상기 제어부(140)로부터 제어신호를 전달받아, 에러신호 및 제어신호의 크기를 사용하여 상기 측정대상(500)의 안정성을 평가하는 단계; 를 포함할 수 있다.In addition, the ultra-fine displacement measurement method using the PDH locking technique according to the present invention, in the ultra-fine displacement measurement method using the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 as described above, the laser light source unit 110 to a predetermined frequency Oscillating the stabilized light; The frequency shifting unit 120 shifting the frequency of the light oscillated from the laser light source 110 and applying it to the measurement target 500; In the measurement object 500, the light corresponding to the resonance frequency of the measurement object 500 causes resonance, but the light that is not resonated in the measurement object 500 is transmitted to the PDH unit 130; The PDH unit 130 outputting light that is not resonated from the measurement object 500 as an error signal; Applying a control signal so that the control unit 140 receives and receives an error signal from the PDH unit 130 and feedback-controls the frequency of light applied to the measurement target 500 by the frequency shift unit 120; The analysis unit 150 receives an error signal from the PDH unit 130, receives a control signal from the control unit 140, and uses the size of the error signal and the control signal to stabilize the measurement target 500. Evaluating; It may include.

이 때 상기 분석부(150)는, 상기 측정대상(500)의 잠금 주파수대역(locking bandwidth)을 기준으로, 잠금 주파수대역 이상의 주파수대역에서는 에러신호를 취하고, 잠금 주파수대역 이하의 주파수대역에서는 제어신호를 취하여, 전체 주파수대역에서 에러신호 및 제어신호가 취합되어 산출된 안정성 레벨을 도출하도록 이루어질 수 있다.At this time, the analysis unit 150, based on the locking frequency (locking bandwidth) of the measurement target 500, takes an error signal in a frequency band above the lock frequency band, and a control signal in a frequency band below the lock frequency band Taking, it may be made to derive the calculated stability level by combining the error signal and the control signal in the entire frequency band.

또한 이 때 상기 분석부(150)는, 미리 결정된 안정성 레벨 기준을 기준으로 상기 측정대상(500)에서 도출된 안정성 레벨을 비교하여 안정성을 평가하도록 이루어질 수 있다.In addition, at this time, the analysis unit 150 may be configured to evaluate stability by comparing the stability level derived from the measurement target 500 based on a predetermined stability level criterion.

본 발명에 의하면, PDH 잠금 기법을 역으로 이용하여 안정적인 레이저 광원을 기준으로 측정 대상에서 발생하는 공진주파수의 미소 변화로 인한 안정성 레벨을 측정해 냄으로써, 측정 대상인 광학 부품에서 열적 변화 등에 의해 일어나는 미소 형상 변화 및 이에 따른 성능이 불안정해지는 정도를 모든 주파수대역에서 신뢰성있게 평가할 수 있는 큰 효과가 있다.According to the present invention, by using the PDH locking technique inversely, by measuring the stability level due to the small change in the resonance frequency generated in the measurement object based on the stable laser light source, a microscopic shape caused by thermal changes in the optical component to be measured There is a great effect that it is possible to reliably evaluate the change and the degree of destabilization of performance in all frequency bands.

나아가 본 발명에 의하면, 초정밀급 간섭계인 중력파 측정장치 등과 같이 매우 높은 정확성 및 정밀성을 요구하는 장치의 광학 부품에 대하여, 광학 부품의 안정성을 보다 높은 신뢰성을 가지고 평가할 수 있게 해 주는 효과가 있다. 물론 이에 따라 본 발명에 의하면, 이와 같이 평가된 광학 부품이 사용되는 장치 자체의 신뢰성을 향상시켜 주는 효과 또한 있다.Furthermore, according to the present invention, it is possible to evaluate the stability of an optical component with higher reliability with respect to optical components of a device that requires very high accuracy and precision, such as a gravitational wave measuring device that is an ultra-precision class interferometer. Of course, according to the present invention, accordingly, there is also an effect of improving the reliability of the device itself in which the evaluated optical component is used.

도 1은 광을 이용하여 한 쌍의 대상 간의 거리를 측정하는 원리.
도 2는 PDH 잠금 회로의 한 실시예.
도 3은 도 2에서의 반사광, 위상변이 및 출력신호 그래프.
도 4는 본 발명의 PDH를 이용한 안정성 측정 원리.
도 5는 본 발명의 초미세 변위 측정 장치.
도 6은 도 5에서의 PDH 에러신호 및 제어신호 그래프.
도 7은 도 6로부터 산출된 안정성 레벨 그래프.1 is a principle of measuring the distance between a pair of objects using light.
2 is an embodiment of a PDH locking circuit.
3 is a graph of reflected light, phase shift, and output signal in FIG. 2;
4 is a stability measurement principle using the PDH of the present invention.
5 is a device for measuring ultra-fine displacement of the present invention.
6 is a graph of PDH error signals and control signals in FIG. 5;
7 is a stability level graph calculated from FIG. 6.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 PDH 잠금 기법을 이용한 초미세 변위 측정 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for measuring ultra-fine displacement using the PDH locking technique according to the present invention having the above-described configuration will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

PDH 잠금 기법의 원리Principles of PDH locking technique

PDH 잠금 기법(Pound-Drever-Hall locking method)이란 안정적인 공진기를 이용하여 불안정한 레이저 광원의 발진주파수를 안정화시키는 방법을 일컫는다. 도 2는 PDH 잠금 회로의 한 실시예를 도시하는 것으로, 도 2를 통해 먼저 본 발명에서 사용하는 PDH 잠금 기법의 원리를 간략히 설명한다.The PDH locking method (Pound-Drever-Hall locking method) refers to a method of stabilizing the oscillation frequency of an unstable laser light source using a stable resonator. FIG. 2 shows an embodiment of the PDH locking circuit, and the principle of the PDH locking technique used in the present invention will be briefly described with reference to FIG. 2 first.

도 2의 PDH 잠금 회로는 궁극적으로 공진기의 공진주파수로 레이저 광원의 광을 안정화시키기 위한 것이다. 도 2에서의 공진기는 패브리-패롯 공진기(Fabri-Parrot Interferometer, FPI)로서, 한 쌍의 미러 사이에 공진층이 형성된 구조로 이루어진다. 레이저 광원에서 발진된 광이 공진기로 입사되면, 공진기 고유의 공진주파수에 해당하는 주파수를 가지는 광은 공진기 내에서 공진을 일으키며, 그 외의 광은 공진기로부터 빠져나오게 된다. 즉 공진기에서 광이 빠져나오는 광이 없으면 레이저 광원에서 나오는 광이 모두 공진기 내에서 공진을 일으키고 있는, 다시 말해 공진주파수를 갖는 광이라는 것임을 알 수 있게 된다. 도 2의 PDH 잠금 회로는 이러한 원리를 이용하여, 공진기에서 빠져나오는 광신호를 사용하여 레이저 광원에서 발진되고 있는 광의 주파수가 공진기의 공진주파수로부터 얼마나 벗어났는지를 감지하고, 이 에러신호를 이용하여 레이저 광원을 제어하여 발진주파수를 조절함으로써 레이저 광원을 안정화시키는 것이다. 이러한 과정을 도 2를 통하여 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.The PDH lock circuit of FIG. 2 is for stabilizing the light of the laser light source at the resonant frequency of the resonator. The resonator in FIG. 2 is a Fabry-Parrot Interferometer (FPI), and has a structure in which a resonant layer is formed between a pair of mirrors. When the light emitted from the laser light source enters the resonator, light having a frequency corresponding to the resonator's own resonance frequency causes resonance in the resonator, and other light exits the resonator. That is, if there is no light from which the light exits the resonator, it can be seen that all of the light emitted from the laser light source is resonating within the resonator, that is, light having a resonance frequency. The PDH lock circuit of FIG. 2 uses this principle, detects how far the frequency of the light being oscillated from the laser light source deviates from the resonance frequency of the resonator using the optical signal exiting the resonator, and uses this error signal to laser The laser light source is stabilized by controlling the light source to adjust the oscillation frequency. The process will be described in more detail with reference to FIG. 2 as follows.

먼저 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 광원에서 공진주파수 ω를 가지는 광을 발진시킨다. 이상적으로 안정화된 경우라면 레이저 광원에서 발진되는 광의 주파수가 (도 2에서 레이저 광원 후단에 도시된 작은 그래프에 나타난 바와 같이) 정확히 ω가 되어야 하겠지만, 레이저 광원이 안정화되지 않은 상태인 경우 레이저 광원에서 발진되는 광의 주파수는 ω 근처의 값이 되고 그 외의 주파수의 광들도 혼합되어 있는 광이 나오게 된다.First, as shown in FIG. 2, the laser light source oscillates light having a resonance frequency ω. In the ideally stabilized case, the frequency of the light emitted from the laser light source should be exactly ω (as shown in the small graph shown at the rear end of the laser light source in FIG. 2), but when the laser light source is not stabilized, the light source oscillates The frequency of the light becomes a value near ω, and light with other frequencies is also mixed.

레이저 광원에서 주파수를 연속적으로 변경시키면서 공진기에 광을 입사시키고, 이 때 공진기에서 빠져나오는 광을 검출한다고 한다. 이 때 레이저 광원에서 발진되는 광의 에너지(즉 공진기로 입사되는 광의 에너지)를 100이라 하면, 공진기에서 빠져나오는 광의 에너지는, 레이저 광원에서 발진되는 광의 주파수가 공진기의 공진주파수에서 멀리 떨어질수록 100이 되며, 레이저 광원에서 발진되는 광의 주파수가 공진기의 공진주파수에 도달하면 0이 된다. 즉 레이저 광원에서 발진되는 광의 주파수가 이상적으로 정확히 공진기의 공진주파수가 될 경우, 모든 광이 공진기 내에서 공진되므로 공진기 밖으로 빠져나오는 광의 에너지가 0이 되는 것이다. 이러한 현상으로 도시한 것이 도 3(A)의 그래프로서, 도 3(A)에서 가로축은 주파수이되 0점은 공진주파수를 나타낸다. 이 때 도 3(A)에서 보이는 바와 같이 그래프의 형태가 0점을 중심으로 좌우 대칭 형태로 이루어지기 때문에, 레이저 발진광 주파수가 0점에서 어긋났을 때 현재 레이저 발진광 주파수가 공진주파수보다 작아서 어긋난 것인지, 커서 어긋난 것인지 판별하기 어렵다. 즉 도 3(A)의 그래프는 방향성이 없기 때문에, 이것만으로 제어를 수행하기에는 어려움이 있다.It is said that light is incident on the resonator while continuously changing the frequency in a laser light source, and at this time, light exiting the resonator is detected. At this time, if the energy of light emitted from the laser light source (that is, the energy of light incident on the resonator) is 100, the energy of light exiting the resonator becomes 100 as the frequency of the light emitted from the laser light source is farther away from the resonance frequency of the resonator. , When the frequency of the light oscillated from the laser light source reaches the resonance frequency of the resonator, it becomes 0. That is, when the frequency of the light oscillated from the laser light source is ideally exactly the resonant frequency of the resonator, all the light resonates in the resonator, so that the energy of the light exiting the resonator becomes zero. 3 (A), the horizontal axis represents the frequency, and the zero point represents the resonance frequency. At this time, as shown in FIG. 3 (A), since the shape of the graph is made in a symmetrical form around the zero point, the current laser oscillation light frequency is smaller than the resonance frequency and shifted when the laser oscillation light frequency is shifted from zero point. It is difficult to determine whether or not it is large. That is, since the graph of FIG. 3 (A) has no directionality, it is difficult to perform control only with this.

이러한 문제를 해소하고 레이저 발진광의 주파수에 방향성을 인가할 수 있도록 구비되는 소자가 바로 도 2에서의 EOM(Electric-Optic Modulator)이다. 도 2에서 EOM 후단에 도시된 작은 그래프에 나타난 바와 같이, 레이저 발진광이 EOM 소자를 지나면서, 원래의 레이저 발진광의 중심 주파수보다 Ω만큼 큰 주파수 및 작은 주파수를 가지되 둘 중 하나는 위상이 반대가 되는 광이 추가되는데(이 광을 사이드광이라 한다), 바로 이 사이드광에 의하여 공진기에 입사되는 광에 방향성이 형성된다. 도 3(B)는 이와 같은 위상 변이(phase shift)를 예시적으로 도시한 것이다.An element provided to solve this problem and to apply directionality to the frequency of the laser oscillation light is an electric-optic modulator (EOM) in FIG. 2. As shown in the small graph shown at the rear end of the EOM in FIG. 2, as the laser oscillation light passes through the EOM element, it has a frequency and a small frequency that are larger than the center frequency of the original laser oscillation light by Ω, but one of them has the opposite phase. The light to be added is added (this light is called side light), and by this side light, directionality is formed in the light incident on the resonator. FIG. 3 (B) illustrates this phase shift by way of example.

앞서 설명한 바와 같이, 공진기에 입사된 광 중 공진주파수에 해당하는 주파수를 가지는 광은 공진기 내에 갇히는 반면, 나머지 주파수를 가지는 광은 공진기로부터 빠져나오게 된다. 따라서 상술한 바와 같이 EOM에서 인가한 사이드광은 당연히 공진기로부터 빠져나오게 되며, 이와 더불어 레이저 발진광이 불안정하여 다른 주파수를 가지는 광이 혼합되어 있다면, 그 광 역시 사이드광과 함께 공진기로부터 빠져나오게 된다. 도 2에서 EOM에서 인가하는 사이드광 신호를 cosΩt로 표시하였는데, 레이저 발진광이 안정화되어 있다면 공진기에서 빠져나오는 광 역시 cosΩt가 될 것이다. 그러나 레이저 발진광이 안정화되어 있지 않은 경우 불안정한 부분만큼의 광이 함께 공진기로부터 빠져나오게 된다. PDH 기법에서는 도 2의 PD(Photo Detector)를 이용하여 이 광신호의 크기(amplitude)를 검출해 내어, 이를 피드백 제어하는 것을 목표로 한다.As described above, among the light incident on the resonator, light having a frequency corresponding to the resonant frequency is trapped in the resonator, while the light having the remaining frequency escapes from the resonator. Therefore, as described above, the side light applied from the EOM naturally escapes from the resonator. In addition, if the laser oscillation light is unstable and light having different frequencies is mixed, the light also escapes from the resonator together with the side light. In FIG. 2, the side light signal applied from the EOM is expressed as cosΩt. If the laser oscillation light is stabilized, the light exiting the resonator will also be cosΩt. However, when the laser oscillation light is not stabilized, as much light as the unstable part comes out from the resonator. The PDH technique aims to detect the amplitude of this optical signal by using the photo detector (PD) of FIG. 2 and to control the feedback.

도 2의 PD에서 검출된 광신호를 Acos(Ωt+φ)라 할 때, EOM에서 인가하는 사이드광 신호 cosΩt에 상기 위상차 φ를 인가하여 cos(Ωt+φ)로 만들고, 이를 공진기에서 출력된 광신호 Acos(Ωt+φ)와 합친 후 로우패스필터를 거치면 광신호 크기 A만을 얻을 수 있게 된다. 이것이 바로 PDH 신호로서, 이 PDH 신호를 PID 컨트롤러에 입력하면, PID 컨트롤러는 PDH 신호를 기반으로 레이저 광원의 발진주파수를 조절하는 제어를 하게 된다.When the optical signal detected by the PD of FIG. 2 is called Acos (Ωt + φ), the phase difference φ is applied to the side light signal cosΩt applied by the EOM to make it cos (Ωt + φ), and the light output from the resonator After combining the signal Acos (Ωt + φ) and passing through the low pass filter, only the optical signal size A can be obtained. This is the PDH signal. When this PDH signal is input to the PID controller, the PID controller controls the oscillation frequency of the laser light source based on the PDH signal.

본 발명의 초미세 변위 측정 원리Principle of measuring ultra-fine displacement of the present invention

앞서 설명한 바와 같이, 광학 부품은 미세한 온도 변화 등에 따라 장치를 구성하고 있는 부품(예를 들어 미러) 표면의 형상이 미소하게 변화하는 열적 노이즈(thermal noise) 문제를 내포하고 있다. 도 1을 통해 설명한 바와 같이 부품 간 거리는 공진주파수에 직접적인 영향을 주기 때문에, 이러한 열적 노이즈에 의한 부품의 미소 변화는 공진주파수에도 미소한 변화를 초래하게 된다. 이에 따라 중력파 측정 장치에 포함되는 공진기와 같이 초정밀 수준의 정확성 및 정밀성이 요구되는 광학 부품에 있어서, 이러한 열적 노이즈 등에 의한 변화 정도가 어느 정도인지(즉 안정성 레벨) 평가하는 것이 필요하다.As described above, the optical component poses a thermal noise problem in which the shape of the surface of a component (for example, a mirror) constituting the device is slightly changed according to minute temperature changes. As described with reference to FIG. 1, since the distance between parts directly affects the resonance frequency, minute changes in the parts due to the thermal noise cause minute changes in the resonance frequency. Accordingly, in an optical component requiring ultra-precision level accuracy and precision, such as a resonator included in a gravitational wave measuring apparatus, it is necessary to evaluate the degree of change due to such thermal noise or the like (ie stability level).

한편 앞서 설명한 PDH 잠금 기법은, PDH 잠금 기법은 본래 레이저와 공진기를 동기화시키는 기법으로, 도 4(A)에 도시된 바와 같이 불안정한 레이저를 안정한 공진기에 동기화시켜 레이저를 안정화시키거나, 또는 불안정한 공진기를 안정한 레이저에 동기화시켜 공진기를 안정화시키는 기법이다. 본 발명에서는 이를 역이용하여 공진기의 불안정한 정도를 측정하는 것이다. 간략하게 설명하자면, 도 4(B)에 도시된 바와 같이, 안정한 레이저를 불안정한 공진기와 같도록 동기화시키면 레이저가 불안정해지게 되는데, 이 때 PDH 에러신호를 보면 레이저가 얼마나 불안정한지를 검출할 수 있다. 이 레이저의 불안정한 정도는 공진기의 불안정한 정도와 동일하므로, 궁극적으로는 공진기의 불안정한 정도를 검출해 낼 수 있게 된다. 본 발명의 초미세 변위 측정 장치 및 방법은 바로 이러한 개념에서 도출된 것이다. 이처럼 레이저를 이용하여 공진기를 측정하는 기술이기 때문에, 측정하고자 하는 공진기에 비해 기준이 되는 레이저는 1오더(10배) 이상 안정해야 한다.On the other hand, the PDH locking technique described above, the PDH locking technique is a technique for synchronizing the original laser and the resonator. As shown in FIG. 4 (A), the unstable laser is synchronized with the stable resonator to stabilize the laser, or the unstable resonator This technique stabilizes the resonator by synchronizing with a stable laser. In the present invention, it is used in reverse to measure the unstable degree of the resonator. Briefly, as shown in FIG. 4 (B), when the stable laser is synchronized with the unstable resonator, the laser becomes unstable. At this time, the PDH error signal can detect how unstable the laser is. Since the unstable degree of the laser is the same as the unstable degree of the resonator, ultimately it is possible to detect the unstable degree of the resonator. The apparatus and method for measuring ultra-fine displacement of the present invention are derived from this concept. Since it is a technique for measuring a resonator using a laser as described above, a reference laser must be stable at least 1 order (10 times) compared to a resonator to be measured.

그런데 PDH 잠금 기법에는 다음과 같은 한계가 있다. PDH 잠금 기법에서, 잠금 주파수대역(locking bandwidth)보다 작은 주파수를 가지는 신호들은 실질적으로 노이즈에 해당하는 것으로서 측정대상인 공진기에서 자연적으로 억제(suppression)되는 신호이다. 따라서 PDH 잠금 기법에서 얻어지는 에러신호는 잠금 주파수대역보다 큰 주파수 성분들만 의미있는 값을 가지게 되어, 저주파 대역에서의 신호 관측이 용이하지 않다. 한편 반대로, 제어기에서 보내는 제어신호에 의해서 노이즈가 제거되는 것이므로, 제어신호 자체로서 제어해야 할 양이 얼마나 발생하고 있는 것인가를 역으로 알 수 있는 바, 제어기에서 나오는 제어신호는 반대로 잠금 주파수대역보다 작은 주파수 성분들이 의미있는 값을 가지게 된다.However, the PDH locking technique has the following limitations. In the PDH locking technique, signals having a frequency smaller than the locking bandwidth are signals that are naturally suppressed in the resonator to be measured as substantially corresponding to noise. Therefore, the error signal obtained from the PDH locking technique has a meaningful value only for frequency components larger than the locking frequency band, so it is not easy to observe the signal in the low frequency band. On the other hand, on the contrary, since the noise is removed by the control signal sent from the controller, it is possible to reversely know how much amount to be controlled is generated as the control signal itself. In contrast, the control signal from the controller is smaller than the lock frequency band. The frequency components have a meaningful value.

보다 상세히 풀어서 설명하면 다음과 같다. PDH 에러 신호는 측정하고자 하는 대상의 주파수 떨림(Hz)을 전압 신호(V)로 변환하여 나타내게 된다. 즉 PDH 에러 신호는 측정하고자 하는 대상의 노이즈 성분이며, 이 노이스 성분이 바로 본 발명에서 측정하고자 하는 부분이다. 원리적으로는 레이저의 주파수를 고정하고 PDH 신호를 관측함으로서 전 주파수대역에서 측정 대상의 노이즈 성분을 관측할 수가 있겠으나, 측정하고자 하는 대상이 PDH 신호의 선형 구간이 나타나는 구간 이상으로 변하게 되는 경우에는 (PDH 신호와 주파수 떨림의 선형 관계가 이뤄지지 않는 구간) 측정을 지속할 수가 없게 된다. 일반적으로, 측정 대상의 움직임이 이상적으로 안정적이지 않고 심한 요동이 있기에, 레이저 주파수와 측정 대상의 공진 주파수가 동기화되지 않으면 현실적으로 측정이 어려운 것이다.The following is a more detailed explanation. The PDH error signal is expressed by converting the frequency vibration (Hz) of the object to be measured into a voltage signal (V). That is, the PDH error signal is a noise component of an object to be measured, and this noise component is a part to be measured in the present invention. In principle, by fixing the frequency of the laser and observing the PDH signal, it is possible to observe the noise component of the object to be measured in all frequency bands, but when the object to be measured changes beyond the section where the linear section of the PDH signal appears (A period in which a linear relationship between the PDH signal and frequency tremor is not achieved) Measurement cannot be continued. In general, since the movement of the measurement object is not ideally stable and there is severe fluctuation, it is difficult to measure realistically unless the laser frequency and the resonance frequency of the measurement object are synchronized.

따라서 지속적 측정을 위해서는 PDH 에러신호를 통해 레이저 주파수와 측정 대상의 공진주파수를 일치시켜(동기화) 지속적인 측정이 가능하도록 하게 한다. 이러한 과정에서, PDH 에러신호는 시간 영역에서는 0이 되도록 지속적으로 제어가 들어가게 되고, 이를 주파수 영역에서 관측한다면 제어 루프의 잠금 주파수대역 이내의 저주파수 신호는 0에 수렴하도록 제어가 들어가게 된다. 한편 잠금 주파수대역의 이후의 고주파수 신호는 제어 시스템의 한계상 억제되지 못하고, 그대로 남게 된다. 즉, 레이저 주파수 동기화를 하기 전에 측정되었던, 측정 대상의 노이즈 성분을 모두 갖고 있던 PDH 에러신호의 주파수 성분 중, 잠금 영역 이내의 성분은 모두 억제되고, 잠금 영역 밖의 고주파수 신호는 그대로 남게 되는 것이다. 이상적이라면 잠금 영역 안의 에러신호는 0이 되어야 한다. 다시 말해, 레이저 주파수와 측정 대상의 공진주파수를 동기화하게 될 경우에는, PDH 에러신호에서 잠금 영역 밖의 신호만이 측정 대상의 노이즈 성분(관측하고자 하는)을 그대로 갖고 있다고 볼 수 있다. 이 때 제어신호는 측정 대상과 동기화 시켜주기 위한 잠금 영역 주파수 이내의 신호이며, 잠금 영역 안에서 에러 신호는 측정 대상의 노이즈 성분을 나타내는 것이 아닌 제어 시스템의 한계치를 보여준다고 볼 수 있다. 하지만, 측정 대상은 시간에 따라 지속적으로 변화하기 때문에, 순간적으로 발생되는 에러신호는 비례신호(P) 외에도 적분(I)과 미분(D) 과정을 통하여 제어신호를 생성하고, 이 제어신호는 잠금 영역 안에서 유의미해진다. 잠금 영역 밖의 고주파수대역에서는 제어기의 성능 한계상 신호가 충분히 나오지 않기 때문이다.Therefore, for continuous measurement, the laser frequency and the resonance frequency of the measurement object are matched (synchronized) through the PDH error signal to enable continuous measurement. In this process, the PDH error signal is continuously controlled to be 0 in the time domain, and if it is observed in the frequency domain, the control is entered so that the low frequency signal within the locked frequency band of the control loop converges to 0. On the other hand, the high frequency signal after the lock frequency band cannot be suppressed due to the limitation of the control system, and remains. That is, among the frequency components of the PDH error signal that had all the noise components to be measured, which were measured before laser frequency synchronization, all components within the locked region are suppressed, and high-frequency signals outside the locked region remain. Ideally, the error signal in the lock area should be zero. In other words, when synchronizing the laser frequency and the resonance frequency of the measurement object, it can be considered that only the signal outside the lock area in the PDH error signal has the noise component (to be observed) of the measurement object. At this time, the control signal is a signal within the lock area frequency for synchronizing with the measurement object, and the error signal in the lock area does not indicate the noise component of the measurement object, but can be considered to show the limit of the control system. However, since the measurement object continuously changes with time, the error signal generated instantaneously generates a control signal through the process of integral (I) and derivative (D) in addition to the proportional signal (P), and this control signal is locked. It becomes meaningful within the domain. This is because, in the high frequency band outside the locked area, the signal is not sufficiently output due to the performance limitation of the controller.

본 발명에서는 바로 이러한 원리를 이용하여, PDH 잠금 기법을 역이용하되 모든 주파수대역에서의 안정성 레벨을 확인할 수 있는 지표를 제시하고자 한다.In the present invention, by using this principle, the PDH lock technique is used in reverse, but it is intended to present an index that can confirm the stability level in all frequency bands.

본 발명의 초미세 변위 측정 장치 및 방법Ultra-fine displacement measuring device and method of the present invention

도 5는 본 발명의 초미세 변위 측정 장치의 한 실시예를 간략히 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 초미세 변위 측정 장치(100)는, 적어도 한 쌍의 미러를 포함하여 광의 공진이 이루어지는 광학 부품 형태로 이루어지는 측정대상(500)에 대하여, 상기 한 쌍의 미러 간 거리의 변화에 의한 공진주파수 변화 정도를 통해 상기 측정대상(500)의 안정성을 평가하기 위한 장치이다. 이 때 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초미세 변위 측정 장치(100)는, 레이저광원부(110), 주파수천이부(120), PDH부(Pound-Drever-Hall module, 130), 제어부(140), 분석부(150)를 포함하여 이루어질 수 있다.5 schematically shows an embodiment of the ultra-fine displacement measuring apparatus of the present invention. As described above, the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 of the present invention, with respect to a measurement target 500 made of an optical component in which light resonance is performed, including at least one pair of mirrors, of the distance between the pair of mirrors It is a device for evaluating the stability of the measurement target 500 through the degree of change in the resonance frequency due to the change. At this time, as shown in Figure 5, the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 of the present invention, the laser light source unit 110, the frequency shift unit 120, PDH unit (Pound-Drever-Hall module, 130), the control unit 140, the analysis unit 150 may be included.

상기 레이저광원부(110)는, 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 PDH 잠금 기법을 역이용하여 안정화된 레이저 광원을 이용하여 측정대상인 공진기의 안정성 레벨을 도출하고자 하는 것으로, 따라서 상기 레이저광원부(110)는 자체적으로 안정적이어야 한다. 이와 같은 조건을 만족하기 위한 구체적인 예시로서, 상기 레이저광원부(110)는 광섬유 격자(fiber grating)를 사용하여 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진시키도록 이루어지는 광섬유 격자 레이저 등과 같은 형태일 수 있다.The laser light source unit 110 serves to oscillate light stabilized at a predetermined frequency. As described above, the present invention intends to derive the stability level of the resonator to be measured using a stabilized laser light source by reversely using the PDH locking technique, so the laser light source unit 110 must be stable by itself. As a specific example for satisfying such a condition, the laser light source unit 110 may be in the form of an optical fiber grating laser or the like configured to oscillate light stabilized at a predetermined frequency using fiber grating.

상기 주파수천이부(120)는, 상기 레이저광원(110)에서 발진된 광의 주파수를 천이시켜 상기 측정대상(500)에 인가하는 역할을 한다. 상기 주파수천이부(120)의 구체적인 예시로서, 상기 주파수천이부(120)는 AOM(Acousto-Optic Modulator) 등과 같은 형태일 수 있다.The frequency shift unit 120 serves to shift the frequency of the light oscillated from the laser light source 110 and apply it to the measurement target 500. As a specific example of the frequency shift unit 120, the frequency shift unit 120 may be in the form of an AOM (Acousto-Optic Modulator).

상기 PHD부(130)는, 상기 측정대상(500)과 연결되어 상기 측정대상(500)의 광을 잠금(locking)시키는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이 PDH 기법은 널리 알려져 있는 기법이며 그 회로 구성 역시 널리 알려져 있으므로, 여기에서는 상세한 구성에 대한 설명은 생략한다.The PHD unit 130 is connected to the measurement object 500 and serves to lock the light of the measurement object 500. As described above, the PDH technique is a well-known technique, and its circuit configuration is also widely known, so detailed descriptions thereof are omitted here.

상기 제어부(140)는, 상기 PDH부(130)로부터 에러신호를 전달받아 상기 주파수천이부(120)에서 상기 측정대상(500)에 인가하는 광의 주파수를 피드백 제어하여 조절하도록 제어신호를 인가하는 역할을 한다.The control unit 140 receives an error signal from the PDH unit 130 and applies a control signal to feedback and control the frequency of light applied to the measurement target 500 by the frequency shift unit 120. Do it.

상기 분석부(150)는, 상기 PDH부(130)로부터 에러신호를 전달받고, 상기 제어부(140)로부터 제어신호를 전달받아, 에러신호 및 제어신호의 크기를 사용하여 상기 측정대상(500)의 안정성을 평가하는 역할을 한다. 이 때 상기 분석부(150)는, 앞서 설명한 원리에 따라, 상기 측정대상(500)의 잠금 주파수대역(locking bandwidth)을 기준으로, 잠금 주파수대역 이상의 주파수대역에서는 에러신호를 취하고, 잠금 주파수대역 이하의 주파수대역에서는 제어신호를 취하여, 전체 주파수대역에서 에러신호 및 제어신호가 취합되어 산출된 안정성 레벨을 도출하도록 이루어진다.The analysis unit 150 receives the error signal from the PDH unit 130, receives the control signal from the control unit 140, and uses the magnitude of the error signal and the control signal to measure the target 500. It serves to evaluate stability. At this time, the analysis unit 150, according to the principle described above, based on the locking frequency band (locking bandwidth) of the measurement target 500, takes an error signal in a frequency band above the locking frequency band, below the locking frequency band In the frequency band of, the control signal is taken, and the error signal and the control signal are combined in the entire frequency band to derive the calculated stability level.

상기 분석부(150)에서 수행하는 안정성 레벨 도출 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 6은 도 5와 같이 이루어지는 본 발명의 초미세 변위 측정 장치(100)에서의 PDH 에러신호 및 제어신호 그래프를 각각 개략적으로 도시하고 있다.The process of deriving the stability level performed by the analysis unit 150 will be briefly described as follows. FIG. 6 schematically shows a graph of PDH error signals and control signals in the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 of the present invention made as shown in FIG. 5, respectively.

먼저 도 6(A)는 본 발명의 초미세 변위 측정 장치(100)에서의 에러신호 그래프이다. 도 6(A)에 도시된 바와 같이, 잠금 주파수대역 이하에서의 에러신호 그래프는 상당히 불규칙적인 형태를 보이는데, 이는 앞서 설명한 바와 같이 잠금 주파수대역 이하의 주파수 성분은 공진기 형태로 된 상기 측정대상(500) 내에서 대부분 억제되기 때문이다. 한면 잠금 주파수대역 이상에서의 에러신호 그래프는 도 6(A)에 도시된 바와 같이 어떠한 경향성을 가지는 것으로 나타나는 의미있는 신호가 된다. 보다 구체적인 예시를 들어 설명하자면 다음과 같다. 주파수 노이즈는 측정 대상에 따라 다르지만, 주파수(y 축) 노이즈 종류에 따라 그 기울기가 달리 나타나게 되어, 그 기울기를 보고 어느 노이즈 성분이 지배적인지 알 수 있다. 구체적으로는, 기울기가 f2인 경우 백색 위상 잡음(white phase noise) 성분이 지배적으로 나타나는 것이며, 마찬가지로 기울기가 f1인 경우 플리커 위상 잡음(flicker phase noise) 성분이, f0(상수)인 경우 백색 주파수 잡음(white frequency noise) 성분이, f-1인 경우 플리커 주파수 잡음(flicker frequency noise) 성분이, f-2인 경우 무작위 주파수 잡음(random walk frequency noise) 성분이 각각 지배적으로 나타나는 것이다.First, Figure 6 (A) is a graph of the error signal in the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 of the present invention. As shown in FIG. 6 (A), the error signal graph below the locked frequency band shows a fairly irregular shape, as described above, the frequency component below the locked frequency band is the measurement target 500 in the form of a resonator. ) Because it is mostly suppressed. The error signal graph above the one-sided lock frequency band becomes a meaningful signal that has a certain tendency as shown in FIG. 6 (A). The following is a more specific example. The frequency noise varies depending on the measurement object, but the slope appears differently depending on the type of the frequency (y-axis) noise, and it is possible to see which noise component is dominant by looking at the slope. Specifically, when the slope is f 2 , the white phase noise component is predominantly displayed. Similarly, when the slope is f 1 , the flicker phase noise component is f 0 (constant). When the white frequency noise component is f -1 , the flicker frequency noise component is dominant, and when it is f -2 , the random walk frequency noise component is dominant.

한편 도 6(B)는 본 발명의 초미세 변위 측정 장치(100)에서의 제어신호 그래프이다. 도 6(B)에 도시된 바와 같이, 잠금 주파수대역 이상에서의 제어신호 그래프는 급격하게 감소하는 형태를 보이는데, 제어기의 출력은 작동 주파수 대역 (bandwidth) 에 제한되기 때문이다. 이러한 이유로, 잠금 주파수대역 이상에서의 제어 신호는 제어에 기여하지 못하고, 잠금 주파수대역 이상에서의 에러신호는 억제되지 못하고, 측정 대상의 노이즈 성분이 그대로 남아있게 된다. 다시 말해, 제어 신호는 잠금 주파수대역 이내의 저주파수 대역에서 유의미한 결과를 나타낸다. 제어신호/에러신호 모두 전압신호(V)가 주파수신호(Hz)로 변환되어 나타나기 때문에 이를 푸리에 변환하여 주파수 영역에서 관측하면, 주파수대역에서 주파수 노이즈 성분을 관측할 수가 있다. 주파수 변화는 측정 대상의 광경로 길이 변화에 비례하기 때문에 상호간 직접적 변환이 가능하다. 제어신호 그래프에서도 에러신호 그래프에서와 마찬가지로, 기울기가 f2인 경우 백색 위상 잡음(white phase noise) 성분이, f1인 경우 플리커 위상 잡음(flicker phase noise) 성분이, f0(상수)인 경우 백색 주파수 잡음(white frequency noise) 성분이, f-1인 경우 플리커 주파수 잡음(flicker frequency noise) 성분이, f-2인 경우 무작위 주파수 잡음(random walk frequency noise) 성분이 각각 지배적으로 나타나는 것이다.On the other hand, Figure 6 (B) is a graph of the control signal in the ultra-fine displacement measuring apparatus 100 of the present invention. As shown in FIG. 6 (B), the graph of the control signal in the lock frequency band or higher shows a sharply decreasing shape because the output of the controller is limited to the operating frequency band. For this reason, the control signal over the lock frequency band does not contribute to control, the error signal over the lock frequency band cannot be suppressed, and the noise component of the measurement object remains. In other words, the control signal shows a significant result in the low frequency band within the locked frequency band. Since the voltage signal (V) is converted to the frequency signal (Hz) in both the control signal and the error signal, it is possible to observe the frequency noise component in the frequency band by Fourier transforming and observing it in the frequency domain. Since the frequency change is proportional to the change in the optical path length of the measurement object, direct conversion is possible between each other. In the control signal graph, as in the error signal graph, when the slope is f 2 , the white phase noise component is f 1 , and when the flicker phase noise component is f 0 , the f 0 (constant) When the white frequency noise component is f -1 , the flicker frequency noise component is dominant, and when it is f -2 , the random walk frequency noise component is dominant.

도 7은 도 6로부터 산출된 안정성 레벨 그래프이다. 상술한 바와 같이 잠금 주파수대역 이상에서는 에러신호 그래프가 의미가 있으며, 잠금 주파수대역 이하에서는 제어신호 그래프가 의미가 있으므로, 잠금 주파수대역을 기준으로 의미가 있는 부분들만 취합하여 합친 것이 바로 도 7의 그래프인 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 제어신호/에러신호 모두 전압신호(V)가 주파수신호(Hz)로 변환되어 나타나는 것이기는 하나, 각 신호별로 전압값과 주파수값을 변환하는 상수값 (ex. A Hz/V) 값이 다르기 때문에, 도 7의 그래프를 도출하기 위해서는 도 6(A) 그래프 및 도 6(B)의 그래프를 맞추어 주어야 한다. 보다 상세히는, 에러신호의 경우 레이저의 주파수를 스캐닝(scanning)하며 PDH 신호를 획득하여, 선형 구간에 대해서 전압값과 주파수값을 변환할 수 있고, 제어신호의 경우 AOM 에 인가하는 RF 신호를 생성하는 장치에서 입력전압 대배 출력 주파수 신호에 대한 상수가 장비별로 주어지기 때문에 해당 값을 사용하면 된다. 이 때 주파수 단위로 변환해야만, 제어신호/에러신호 기반의 주파수 노이즈 스펙트럼이 연결될 수 있다.7 is a stability level graph calculated from FIG. 6. As described above, the error signal graph is meaningful above the locked frequency band, and the control signal graph is meaningful below the locked frequency band. Therefore, it is the graph of FIG. 7 that only meaningful parts are combined and combined based on the locked frequency band. It is. As described above, although both the control signal / error signal is a voltage signal V converted to a frequency signal (Hz), a constant value converting a voltage value and a frequency value for each signal (ex. A Hz / V) Since the values are different, in order to derive the graph of FIG. 7, the graphs of FIG. 6 (A) and FIG. 6 (B) must be matched. In more detail, in the case of an error signal, the frequency of the laser is scanned and a PDH signal is obtained, so that a voltage value and a frequency value can be converted for a linear section, and in the case of a control signal, an RF signal applied to the AOM is generated. Since the constant for the input voltage and output frequency signal is given for each device in the device, you can use the corresponding value. At this time, the frequency noise spectrum based on the control signal / error signal can be connected only when the frequency unit is converted.

본 발명에서, 상기 분석부(150)는, 미리 결정된 안정성 레벨 기준을 기준으로 상기 측정대상(500)에서 도출된 안정성 레벨을 비교하여 안정성을 평가하게 된다.In the present invention, the analysis unit 150 evaluates stability by comparing the stability level derived from the measurement object 500 based on a predetermined stability level criterion.

주파수 영역에서 관측하는 측정 장비의 경우, 측정 노이즈 영역 (noise floor)을 산출해내는 것이 중요한데, 이는 측정 노이즈 영역 이상의 신호에 대해서 검출할 수 있기 때문이다. 이를 위해, 전자 장비에 기여를 보기 위해서는 측정대상을 연결하지 않은 채로 데이터를 획득하면, 전선에서 오는 전류 노이즈, 기타 RF 장비에서 오는 전류 노이즈 등이 측정된다. 전체 시스템에 대해서 산정할 경우, 매우 안정적인 측정대상(ex. 광 시계에 활용되는 수준의 optical reference cavity)를 측정대상으로 두어 측정한다면 측정기의 측정 한계에 도달 할 수 있을 것이다. 이러한 기법을 토대로 측정기의 노이즈 성분에 대한 분석이 완료되었을 때, 측정하고자 하는 측정대상과 연결하여 측정을 하게 되면, 측정 결과가 측정기의 노이즈 수준보다 높게 관측될 경우 측정대상의 노이즈로 볼 수 있고, 측정기의 노이즈 수준까지 다다르게 될 경우 이는 측정대상의 노이즈가 아니라 측정기의 한계로 측정이 이뤄지지 못했다고 볼 수 있다. 이러한 측정기의 노이즈 수준 대비 측정 결과 신호의 신호 크기는 통상적으로 많이 사용하는 신호대잡음비(signal to ration, SNR)로 표현이 가능하다. 이는 측정대상 및 측정기의 사양 등에 따라 달라질 수 있으며, 상기 안정성 레벨 기준은 이러한 측정대상 및 측정기 사양 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.In the case of measurement equipment observed in the frequency domain, it is important to calculate a measurement noise floor because it can detect signals above the measurement noise domain. To this end, in order to see the contribution to the electronic equipment, if data is acquired without connecting the measurement object, current noise from the wire and current noise from other RF equipment are measured. When calculating for the entire system, the measurement limit of the measuring instrument can be reached if the measurement is made by measuring a very stable measurement object (ex. Optical reference cavity of the level used in optical watches). Based on these techniques, when the analysis of the noise component of the measuring instrument is completed, when the measurement is made in connection with the measuring object to be measured, the measurement result can be viewed as noise of the measuring object when observed above the noise level of the measuring instrument. When the noise level of the measuring instrument is reached, it can be said that the measurement was not performed due to the limitation of the measuring instrument, not the noise of the measuring object. As a result of measurement against the noise level of such a measuring device, the signal size of the signal can be expressed by a signal to noise ratio (SNR) that is commonly used. This may vary depending on the measurement object and the specifications of the measurement device, and the stability level criteria may be variously determined according to the measurement object and measurement device specifications.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application of the present invention is not limited to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made.

100: 안정성 평가 장치
110: 레이저광원부 120: 주파수천이부
130: PDH부 140: 제어부
150: 분석부
500: 측정대상100: stability evaluation device
110: laser light source unit 120: frequency shift unit
130: PDH unit 140: control unit
150: analysis unit
500: measurement object

Claims (8)

적어도 한 쌍의 미러를 포함하여 광의 공진이 이루어지는 광학 부품 형태로 이루어지는 측정대상에 대하여, 상기 한 쌍의 미러 간 거리의 변화에 의한 공진주파수 변화 정도를 통해 상기 측정대상의 안정성을 평가하는, 초미세 변위 측정 장치에 있어서,
미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진하는 레이저광원부;
상기 레이저광원부에서 발진된 광의 주파수를 천이시켜 상기 측정대상에 인가하는 주파수천이부;
상기 측정대상과 연결되어 상기 측정대상의 광을 잠금(locking)시키는 PDH부(Pound-Drever-Hall module);
상기 PDH부로부터 에러신호를 전달받아 상기 주파수천이부에서 상기 측정대상에 인가하는 광의 주파수를 피드백 제어하여 조절하도록 제어신호를 인가하는 제어부;
상기 PDH부로부터 에러신호를 전달받고, 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아, 에러신호 및 제어신호의 크기를 사용하여 상기 측정대상의 안정성을 평가하는 분석부;
를 포함하며,
상기 분석부는,
상기 측정대상의 잠금 주파수대역(locking bandwidth)을 기준으로,
잠금 주파수대역 이상의 주파수대역에서는 에러신호를 취하고,
잠금 주파수대역 이하의 주파수대역에서는 제어신호를 취하여,
전체 주파수대역에서 에러신호 및 제어신호가 취합되어 산출된 안정성 레벨을 도출하는 것을 특징으로 하는 초미세 변위 측정 장치.
For a measurement object made of an optical component in which light resonance is performed including at least a pair of mirrors, the stability of the measurement object is evaluated through a change in resonance frequency due to a change in the distance between the pair of mirrors. In the displacement measuring device,
A laser light source unit that oscillates light stabilized at a predetermined frequency;
A frequency shifting unit for shifting the frequency of the light oscillated from the laser light source unit and applying it to the measurement object;
A PDH unit (Pound-Drever-Hall module) that is connected to the measurement object and locks the light of the measurement object;
A control unit receiving an error signal from the PDH unit and applying a control signal to feedback control of the frequency of light applied to the measurement object by the frequency shift unit;
An analysis unit receiving an error signal from the PDH unit, receiving a control signal from the control unit, and evaluating the stability of the measurement object using the size of the error signal and the control signal;
It includes,
The analysis unit,
Based on the locking bandwidth of the measurement target,
In the frequency band above the locked frequency band, an error signal is taken,
In the frequency band below the locked frequency band, the control signal is taken,
An ultra-fine displacement measuring device characterized in that error signals and control signals are aggregated over the entire frequency band to derive the calculated stability level.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 분석부는,
미리 결정된 안정성 레벨 기준을 기준으로 상기 측정대상에서 도출된 안정성 레벨을 비교하여 안정성을 평가하는 것을 특징으로 하는 초미세 변위 측정 장치.
According to claim 1, The analysis unit,
Ultra-fine displacement measuring device, characterized in that for evaluating stability by comparing the stability level derived from the measurement object based on a predetermined stability level criteria.
제 1항에 있어서, 상기 레이저광원부는,
광섬유 격자(fiber grating)를 사용하여 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진시키는 것을 특징으로 하는 초미세 변위 측정 장치.
According to claim 1, The laser light source unit,
A device for measuring ultra-fine displacement using an optical fiber grating to oscillate light stabilized at a predetermined frequency.
제 1항에 있어서, 상기 주파수천이부는,
AOM(Acousto-Optic Modulator)인 것을 특징으로 하는 초미세 변위 측정 장치.
According to claim 1, wherein the frequency shift unit,
Ultra-fine displacement measuring device, characterized in that the AOM (Acousto-Optic Modulator).
제 1항에 의한 초미세 변위 측정 장치를 이용한 초미세 변위 측정 방법에 있어서,
상기 레이저광원부가 미리 결정된 주파수로 안정화된 광을 발진하는 단계;
상기 주파수천이부가 상기 레이저광원부에서 발진된 광의 주파수를 천이시켜 상기 측정대상에 인가하는 단계;
상기 측정대상에서 상기 측정대상의 공진주파수에 해당하는 광이 공진을 일으키되, 상기 측정대상에서 공진되지 않은 광이 상기 PDH부로 전달되는 단계;
상기 PDH부가 상기 측정대상에서 공진되지 않은 광을 에러신호로서 출력하는 단계;
상기 제어부가 상기 PDH부로부터 에러신호를 전달받아 상기 주파수천이부에서 상기 측정대상에 인가하는 광의 주파수를 피드백 제어하여 조절하도록 제어신호를 인가하는 단계;
상기 분석부가 상기 PDH부로부터 에러신호를 전달받고, 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아, 에러신호 및 제어신호의 크기를 사용하여 상기 측정대상의 안정성을 평가하는 단계;
를 포함하며,
상기 분석부는,
상기 측정대상의 잠금 주파수대역(locking bandwidth)을 기준으로,
잠금 주파수대역 이상의 주파수대역에서는 에러신호를 취하고,
잠금 주파수대역 이하의 주파수대역에서는 제어신호를 취하여,
전체 주파수대역에서 에러신호 및 제어신호가 취합되어 산출된 안정성 레벨을 도출하는 것을 특징으로 하는 초미세 변위 측정 방법.
In the ultra-fine displacement measuring method using the ultra-fine displacement measuring device according to claim 1,
Oscillating the light stabilized at a predetermined frequency by the laser light source unit;
A step in which the frequency shifting unit shifts the frequency of light emitted from the laser light source unit and applies it to the measurement target;
In the measurement object, the light corresponding to the resonance frequency of the measurement object causes resonance, but the non-resonant light is transmitted from the measurement object to the PDH unit;
The PDH unit outputting light that is not resonated at the measurement object as an error signal;
Receiving, by the control unit, an error signal from the PDH unit and applying a control signal to feedback control of the frequency of light applied to the measurement object by the frequency shift unit;
The analysis unit receives an error signal from the PDH unit, receives a control signal from the control unit, and evaluates the stability of the measurement object using the size of the error signal and the control signal;
It includes,
The analysis unit,
Based on the locking bandwidth of the measurement target,
In the frequency band above the locked frequency band, an error signal is taken,
In the frequency band below the locked frequency band, the control signal is taken,
A method for measuring ultra-fine displacement, characterized in that error signals and control signals are collected in all frequency bands to derive the calculated stability level.
삭제delete 제 6항에 있어서, 상기 분석부는,
미리 결정된 안정성 레벨 기준을 기준으로 상기 측정대상에서 도출된 안정성 레벨을 비교하여 안정성을 평가하는 것을 특징으로 하는 초미세 변위 측정 방법.The method of claim 6, wherein the analysis unit,
A method for measuring ultra-fine displacement, characterized by evaluating stability by comparing a stability level derived from the measurement object based on a predetermined stability level criterion.
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