Squeezed-light-enhanced heterodyne laser Doppler vibrometer
Laser Doppler Vibrometry (LDV) is a high-precision, non-contact measurement technique that leverages optical interference between a reference beam and a Doppler-shifted measurement beam derived from coherent laser light. By detecting phase variations induced by surface vibrations, LDV has become a widely utilized tool in industrial environments for vibration analysis, structural diagnostics, and quality control. The detection sensitivity of the LDV is fundamentally constrained by the Poissonian statistics of photon arrivals. In heterodyne LDV systems, the enhancement of signal-to-noise ratio (SNR) and measurement resolution under shot-noise-limited conditions typically requires increasing the optical power of the measurement beam. However, this approach becomes infeasible in scenarios with strict constraints on thermal load or optical power. Recent studies have demonstrated that injecting squeezed vacuum states as non-classical light sources can suppress quantum noise while maintaining low optical power, thus surpassing the standard quantum limit. This thesis introduces the principle of the heterodyne LDV combined with squeezed light sources. The first scientific hypothesis proposed herein is that introducing laser light with squeezed quantum uncertainties into industrial heterodyne LDVs enables vibration measurements to exceed the physical resolution limits of traditional LDVs, achieving sub-shot-noise sensitivity. The thesis designed a squeezed-light-enhanced heterodyne LDV, achieving over 3 dB of squeezing within a 40 MHz measurement bandwidth and demonstrating a noise-equivalent displacement resolution reaching 8 fm/√Hz, thereby confirming the first hypothesis. Addressing the limitations imposed by the finite dynamic range of analog-to-digital converters (ADCs) on the SNR of digitally demodulated phase-modulated signals, the thesis proposes a clipping-based synchronous zero-crossing sampling technique and a corresponding second scientific hypothesis: that this sampling scheme enables heterodyne LDV to overcome the digital noise floor defined by the ADC's SNR. Experimental results demonstrate that this sampling and demodulation approach effectively reduces ADC quantization noise, allowing the digital resolution of the demodulated phase-modulated signal to surpass the ADC-imposed SNR limit while preserving the quantum noise-level squeezing, thereby validating the second hypothesis. Compared to previous work, this research constitutes the first experimental verification of squeezed-light-enhanced measurement feasibility in a classical heterodyne LDV operating at a 40 MHz difference frequency, advancing the application of quantum-enhanced precision metrology in industrial vibration testing.
Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) ist eine hochpräzise, berührungslose Messechnik, die auf der optischen Interferenz zwischen einem Referenzstrahl und einem Doppler-verschobenen Messstrahl basiert, welche beide aus kohärentem Laserlicht stammen. Durch die Detektion von Phasenänderungen, die durch Oberflächenvibrationen hervorgerufen werden, hat sich die LDV als weitverbreitetes Werkzeug in industriellen Anwendungen für Vibrationsanalysen, Strukturdiagnostik und Qualitätskontrolle etabliert. Die Nachweisempfindlichkeit der LDV ist physikalisch durch die poissonianische Statistik der Photoneneinfälle begrenzt. In heterodynen LDV-Systemen erfordert die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) und der Messauflösung unter schrotrauschbegrenzten Bedingungen üblicherweise eine Erhöhung der optischen Leistung des Messstrahls. Diese Vorgehensweise ist jedoch in Szenarien mit strengen Einschränkungen bezüglich der thermischen Belastung oder der zulässigen Laserleistung nicht realisierbar. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Injektion von Quetschvakuumzuständen als nicht-klassische Lichtquellen das Quantengeräusch unter Beibehaltung niedriger optischer Leistung unterdrücken und somit das Standard-Quantengrenzmaß überschreiten kann. Diese Arbeit führt in das Prinzip der heterodynen LDV in Kombination mit Quetschlichtquellen ein. Die erste wissenschaftliche Hypothese lautet, dass die Einführung von Laserlicht mit gequetschten quantenmechanischen Unsicherheiten in industrielle heterodyne LDVs Vibrationen mit einer Messauflösung oberhalb der physikalischen Grenzen traditioneller LDVs ermöglicht und somit eine Sub-Schrot-Rausch-Empfindlichkeit realisiert. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Quetschlicht-unterstützter heterodyner LDV aufgebaut, der eine Squeezing-Leistung von über 3 dB innerhalb eines Messbandbreite von 40 MHz erreicht und eine rauschäquivalente Verschiebungsauflösung von 8 fm/√Hz demonstriert, womit die erste Hypothese bestätigt wird. Angesichts der durch den begrenzten Dynamikumfang analog-digitaler Wandler (ADCs) auferlegten Beschränkungen für das SNR von digital demodulierten phasenmodulierten Signalen schlägt die Arbeit eine clipping-basierte synchrone Null-Durchgang-Sampling-Technik vor und formuliert die zweite wissenschaftliche Hypothese, dass dieses Abtastverfahren es ermöglicht, die durch den digitalen Rauschboden infolge des ADC-SNR gesetzten Grenzen im heterodynen LDV zu überwinden. Experimentelle Ergebnisse belegen, dass diese Abtast- und Demodulationsmethode die ADC-Quantisierungsrauschen effektiv reduziert und somit die digitale Auflösung des demodulierten Signals über das durch den ADC eingeschränkte SNR hinaus verbessert, ohne das Niveau des Quantenrauschens zu beeinträchtigen, womit die zweite Hypothese validiert wird. Im Vergleich zu früheren Arbeiten stellt diese Forschung die erste experimentelle Bestätigung der Machbarkeit eines quetschlicht-unterstützten Messverfahrens in einem klassischen heterodynen LDV bei einer Differenzfrequenz von 40 MHz dar und erweitert somit die Anwendung quantenverstärkter Präzisionsmetrologie in industriellen Vibrationsmessungen.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
