Laserstabiliseerimissüsteemi ehitamine tähendas võimendis mahuka ja kalli analoogluku -kinnitamist. Kuigi need süsteemid on tõhusad, võivad need olla piiratud paindlikkuse, latentsuse ja integreeritusega võrreldes tänapäevaste digitaalsete lähenemisviisidega. Digitaalset signaalitöötlust võimendavad digitaalseadmed ületavad oma eelkäijaid, mida on näidanud tegelikud juhtumiuuringud. Kas laserstabilisaatori tulevik on digitaalne?
Laserstabiliseerimine on hädavajalik. Paljudes laserstabiliseerimisseadetes on sagedushälvet tähistav signaal äärmiselt nõrk ja sageli taustmüra alla mattunud. Keskkonnahäired ja detektori müra võivad mõõtmisel kergesti domineerida, muutes veasignaali usaldusväärse eraldamise keeruliseks.
Vaatamata välimusele ei anna laserid täiesti puhast värvi ja püsivat võimsust. Kuna need on keskkonna suhtes tundlikud, võivad väikesed temperatuuri, vibratsiooni, rõhu või toiteallika muutused põhjustada laseri sageduse triivi ja võimsuse kõikumist. Isegi väiksematel muudatustel on laboris ja õppeasutustes märkimisväärsed tagajärjed.
Kõrge täpsusega-rakenduste (nt suure eraldusvõimega spektroskoopia){1}} puhul on see ebastabiilsus vastuvõetamatu. Üksikisikud peavad kasutama laserstabiliseerimissüsteeme, et aktiivselt korrigeerida kõikumisi ja lukustada laseri väljund väga stabiilsele välisele referentsile.
Laseri stabiliseerimise üldine meetod on tagasiside ahel. Valguse proov eraldatakse ja saadetakse stabiilsele võrdlusalusele ning detektor mõõdab laseri sagedust võrreldes stabiilse referentsiga. Veasignaal null näitab, et laser on lukustatud võrdlusseisundisse, samas kui kõrvalekalded nullist üle või alla näitavad sageduse triivi.
Veasignaalid on sageli uskumatult nõrgad, kuna need peituvad taustmüra sisse. Traditsiooniline viis selle eraldamiseks on analooglukk-võimendis-füüsilises kastis, mis on spetsiaalselt häälestatud otsima kindlal sagedusel signaali.
Probleemid analooglukuga-võimendites
Varem tähendas laserstabiliseerimissüsteemi loomine eraldiseisva-analoogluku-ostmist võimendis, mis peab olema füüsiliselt ühendatud detektorite ja muude elektrooniliste moodulitega. See oli tõhus, kuid paindumatu. Spetsialistid pidid modulatsioonisageduse muutmiseks riistvara muutma või välja vahetama.
Analooglukk-võimendites on olnud tundlike mõõtmiste aluseks aastakümneid, kuna need suudavad eraldada nõrku signaale äärmiselt mürarikastest keskkondadest, kus andmete täpne hankimine on hädavajalik. Need täitsid tõhusalt oma eesmärki, kuid pingutavad, et täita arenevaid jõudlusootusi. Kasutajad ei saa lihtsalt muuta seadme põhifunktsioone ja seadeid,{3}}sh töösagedusvahemikku, filtritüüpe ja ajakonstandid.
Digitaalne lukk-võimendites digiteerib sisendsignaalid digitaalsete signaalitöötlusalgoritmide abil täpseks filtreerimiseks ja mitmesageduslikuks demoduleerimiseks-ilma komponentide triivita. Need on loodud suure jõudlusega-reaalajas-paralleelsete matemaatiliste operatsioonide jaoks.
Digitaalne teostus kordab kogu analoogluku funktsiooni -kastis digitaalseadmes. See filtreerib ja töötleb numbreid, et eraldada veasignaal reaalajas, ning seejärel loob digitaal{2}}analoogmuundur- laseri parandamiseks vajaliku pinge. See lähenemisviis võib jõudluse ja funktsionaalsuse poolest ületada analoograkendusi, eriti paindlikkust ja integreerimist nõudvates rakendustes.
Digitaalse signaalitöötluse alused
Kaasaegne lähenemine on digiteerida võimendi põhifunktsioonide lukustus-. Kiire-analoog---digitaalmuundur (ADC) teisendab detektorist tuleva mürarikka analoogsignaali digitaalsete andmete vooks. Digitaalne signaalitöötlus teostab selle teabega matemaatilisi toiminguid. Väljund filtreeritakse ja töödeldakse veasignaali reaalajas eraldamiseks.
Signaalide muutmine andmeteks.ADC teisendab pideva analoogsisendi signaali diskreetseks arvude jadaks. Sisendpinge diskreetimine kõrge ja fikseeritud kiirusega tekitab andmevoo, mis on ligikaudu võrdne algse lainekujuga. Eesmärk on võrrelda sisendsignaali võrdlussignaaliga, tavaliselt siinuslainega.
Selleks jagab süsteem sisendsignaali pooleks. Mõlemad korrutatakse eraldi viitega ja 90-kraadise faasi-nihutatud koopiaga. Erinevalt analooginstrumentidest välistab digitaaltehnoloogia signaali jagamisel signaali{5}}/-müra suhte kaod. Seejärel läbivad need signaalid müra eemaldamiseks ja andmete keskmistamiseks identseid digitaalseid madalpääsfiltreid.
Demodulatsiooniprotsessi väljundiks on kaks stabiilset alalisvoolu väärtust. Nende puhastamiseks kasutate digitaalseid filtreid, nagu kaskaad-integraatorkamm (CIC) või lõplik impulssreaktsioon (FIR), mis peaks summutama kõrgsagedussignaale ja andma müravaba alalisvoolusignaali.
Puhastussignaalid.CIC on populaarne, kuna see ei nõua filtrikoefitsientide salvestamist ega korrutamist. See tugineb kõige lihtsamatele arvutustele-, nende filtrite rakendamiseks on vaja ainult lahutamist ja liitmist. Madalpääsfiltri-võite saavutada ka oluliselt väiksema arvutusliku keerukusega kui FIR-iga.
Kuigi FIR-il on endiselt kasutusviise, nõuab see äärmiselt madalat{0}}väljalülitussagedust, mille tulemuseks on keerulised toimingud, märkimisväärne ressursikulu ja suurem latentsusaeg. Kui eelistate FIR-i, saate optimeerida kahe filtriga, mis jagavad ühte koefitsientide tabelit. See meetod tagab suurepärase jõudluse, madala arvutusliku keerukuse ja madala ressursikasutuse.
Minimaalsed viivitused.Pärast segamist võib signaal siiski olla mürarikas. Selle puhastamiseks peab lukustus-keskma signaali. Keskmistamine on levinud viivituste allikas, sest oma olemuselt ei saa see kohe muutuda ja seda tuleb aja jooksul mõõta.
Kui keskmistate väga lühikese ajaintervalli, reageerib väljund muutustele väga kiiresti, kuid te ei filtreeri palju müra. Seevastu pika perioodi keskmistamine kõrvaldab tõhusalt müra ning annab puhta ja stabiilse tulemuse, kuid tegeliku signaali muutumisel võtab reageerimine kaua aega.
Määrake ajakonstant,-mis mõõdab, kui kiiresti süsteem reageerib sisendile-väga lühikesele väärtusele. Kuigi teie väljund võib olla mürarikas, reageerib see muudatustele peaaegu kohe. Kui ajakonstandit järk-järgult suurendate, hakkab väljund maha jääma. Lühima võimaliku keskmistamisaja saamiseks lõpetage, kui signaal on usaldusväärseks mõõtmiseks piisavalt stabiilne.
Digitaalse rakendamise eelised
Võimendite digitaalse lukuga- saavad laboriprofessionaalid muuta parameetreid-, nagu filtriseaded, modulatsioonisagedus ja võimendus-, muutes lihtsalt koodirida. Ühtegi riistvara pole vaja puudutada. Digitaalne juhtimine võimaldab keerukamaid adaptiivseid stabiliseerimistehnikaid, mida on analoogkomponentidega raske või võimatu rakendada.
Peale selle, et see süsteem on intuitiivsem, on see tavaliselt taskukohasem. Üks programmeeritav seade on tunduvalt odavam kui mitu analoogkomponentidega spetsiaalset elektroonilist kasti. Reaalsetes seadetes on digitaalse signaalitöötlusega laserstabiliseerimissüsteemid tõhusad, võimsad ja kulu-efektiivsed.
Näiteks skaneeriva sondi mikroskoopia (SPM) abil saate mikro{0}}- ja nanomõõtmetes pinna topoloogiakaarte. Tavaliselt on skaneerimispunkti paigutus määratletud ristkülikukujuliste topograafia rastermustrite raames. Selle strateegia oht seisneb selles, et ebapiisava skaneerimistiheduse tõttu võivad väärtuslikud andmed ilma jääda. Samuti võib süsteem olla andmetega üle koormatud, kui piisaks madalamast eraldusvõimest.
Adaptiivset skannimist toetav kontroller muudab andmete hankimise tõhusamaks. Üks juhtumiuuring näitas, et isegi odava-digitaalse signaaliprotsessori jõudlus on võrreldav nüüdisaegsete kaubanduslike mikroskoopidega,- See katse näitas paindlike, valmiskomponentide kasutamise potentsiaali võimsate instrumentide loomiseks.
Suurem bitisügavus tähendab, et kontroller suudab mõõta palju väiksemaid kõrguste erinevusi. Nanoskaalas pildistamine nõuab väikeste funktsioonide tuvastamiseks äärmist täpsust ja kohandatud süsteem, mida kasutatakse tahvlitel, et suurendada 14-bitise eraldusvõime 18- ja 20-bitiseks peenemaks juhtimiseks ja mõõtmiseks.
Laserstabiliseerimissüsteemide prototüübid
Digitaalne lukk-võimendites on tänu sagedussünteesile ja faasi-tundlikule tuvastamisele oluliselt täpsem kui analoogsete analoogidega (vt joonist. 1). Digitaalrakendused pakuvad suuremat paindlikkust ja mastaapsust, hoolimata juurutamise keerukusest. Analoogseadmete projekteerimisel on mõningaid vigu analoogelektroonika piirangute tõttu raske leevendada.
Olenemata sellest, kas kvantoptika teadlased kasutavad digitaalset signaalitöötlust keerukate tagasisidevõrkude loomiseks või ülikooli laborid õpetavad üliõpilastele laserfüüsika põhimõtteid, on need laserstabiliseerimissüsteemid selgelt paremad kui analoogsed kolleegid.
Tõhusa süsteemi loomiseks peaksid inimesed liikuma räpane, aegunud riistvara asemel nutika ja paindliku tarkvara poole. Prototüüpimisel peavad nad seadma filtri ajakonstandi võimalikult lühikeseks, et tasakaalustada reaktsiooniaega ja veasignaali stabiilsust. Stabiliseerimise tagasiside ahel peab olema kiirem kui laseri triiv.
Mõõtmise hea lukustus- põhineb optimaalsel võrdlussignaalil. Välise etalonide kasutamisel peavad nad tagama, et sagedus on hästi määratletud ja faasimürata. Pärast mõningate kvaliteeditagamismeetmete läbiviimist saab nende süsteem hakkama suure osa jalgade tööst. Kui on vaja kohandada, on see sama lihtne kui koodirea vahetamine.
Liikuge digitaalsete rakenduste poole
Laseri stabiliseerimiseks on vaja tuvastada väga nõrk veasignaal läbi märkimisväärse müra. Võimendi lukustus- on selle eraldamisel suurepärane, kuid mitte kõik pole võrdsed. Digitaalne, tarkvaraga-määratletud platvorm asendab mahuka ja kalli riistvara ning muudab prototüüpide loomise ja juurutamise kiiremaks, odavamaks ja paindlikumaks (vt joonist{4}}).
Täpsuse taotlemisel on võimendi kunagine -levinud analooglukk-on nüüd aegunud. Kuigi see on endiselt kasutatav, on selle kaasaegne vaste selgelt parem. Olenemata sellest, kas kasutate endiselt 1970. aastatest pärit võimendites analooglukku- või töötate oma esimese digitaalse signaalitöötlusprojekti kallal, saate uuendamist hõlpsasti õigustada.
