Раніше створення лазерної стабілізаційної системи означало захист громіздкого, дорогого аналогового блокування-підсилювача. Незважаючи на ефективність цих систем, вони можуть бути обмежені в гнучкості, затримці та інтеграції порівняно з сучасними цифровими підходами. Цифрові пристрої, що використовують цифрову обробку сигналу, перевершують своїх попередників, як-свідчать практичні дослідження. Чи цифрове майбутнє лазерної стабілізації?
Важлива лазерна стабілізація. У багатьох установках лазерної стабілізації сигнал, що представляє відхилення частоти, надзвичайно слабкий і часто прихований у фоновому шумі. Порушення навколишнього середовища та шум детектора можуть легко переважати під час вимірювання, ускладнюючи надійне виділення сигналу помилки.
Незважаючи на зовнішній вигляд, лазери не виробляють ідеально чистий колір і постійну потужність. Оскільки вони чутливі до навколишнього середовища, незначні зміни температури, вібрації, тиску чи джерела живлення можуть спричинити дрейф частоти лазера та коливання потужності. Навіть незначні зміни мають значні наслідки в лабораторних і навчальних закладах.
Для високо-додатків, таких як спектроскопія високої-роздільності, ця нестабільність є неприйнятною. Люди повинні використовувати системи лазерної стабілізації для активної корекції флуктуацій і фіксації виходу лазера на дуже стабільний зовнішній еталон.
Загальним методом стабілізації лазера є петля зворотного зв'язку. Зразок світла відокремлюється та надсилається до стабільного еталону, а детектор вимірює частоту лазера порівняно зі стабільним еталонним сигналом. Сигнал помилки нуля вказує на те, що лазер зафіксовано на еталонних умовах, тоді як відхилення вище або нижче нуля вказують на дрейф частоти.
Сигнали про помилки часто неймовірно слабкі, оскільки вони ховаються в фоновому шумі. Традиційний спосіб витягти його – це аналоговий фіксатор-у підсилювачі-фізичний блок, спеціально налаштований для пошуку сигналу на визначеній частоті.
Проблеми з аналоговим блокуванням-у підсилювачах
У минулому створення системи лазерної стабілізації означало придбання-окремого аналогового замка-підсилювача, який потрібно було фізично підключити до детекторів та інших електронних модулів. Це було ефективно, але негнучко. Професіоналам довелося модифікувати або замінити обладнання, щоб змінити частоту модуляції.
Аналогові блокування-в підсилювачах протягом десятиліть були основою для чутливих вимірювань, оскільки вони можуть вилучати слабкі сигнали з надзвичайно шумного середовища, де точне отримання даних є обов’язковим. Вони ефективно виконали свою мету, але намагаються відповідати зростаючим очікуванням ефективності. Користувачі не можуть легко змінити основні функції та налаштування пристрою-, зокрема робочий діапазон частот, типи фільтрів і постійні часу.
Цифрове блокування-в підсилювачах оцифровує вхідні сигнали за допомогою алгоритмів цифрової обробки сигналів для точної фільтрації та багаточастотної демодуляції-без дрейфу компонентів. Вони створені для високопродуктивних-паралельних математичних операцій у реальному-часі.
Цифрова реалізація повторює всю функцію аналогового замка-inbox у коді на цифровому пристрої. Він фільтрує та обробляє числа, щоб отримати сигнал помилки в режимі реального часу, а цифрово-в-аналоговий перетворювач створює напругу, необхідну для виправлення лазера. Цей підхід може перевершити аналогові реалізації в продуктивності та функціональності, особливо в програмах, які вимагають гнучкості та інтеграції.
Основи цифрової обробки сигналів
Сучасний підхід полягає в тому, щоб оцифрувати блокування-в основних функціях підсилювача. Високошвидкісний-аналогово{3}}-цифровий перетворювач (АЦП) перетворює зашумлений аналоговий сигнал від детектора на потік цифрових даних. Цифрова обробка сигналу виконує математичні операції над цією інформацією. Вихідні дані фільтруються та обробляються для вилучення сигналу помилки в реальному часі.
Перетворення сигналів на дані.АЦП перетворює безперервний аналоговий вхідний сигнал у дискретний ряд чисел. Вибірка вхідної напруги з високою фіксованою частотою створює потік даних, який наближено до оригінальної форми сигналу. Мета полягає в тому, щоб порівняти вхідний сигнал з еталонним, як правило, синусоїдальним сигналом.
Для цього система розбиває вхідний сигнал. Обидва множаться окремо на еталон і копію, зміщену по фазі на 90-градусів-. На відміну від аналогових приладів, цифрова технологія усуває втрати співвідношення сигнал-до-шуму під час розділення сигналу. Потім ці сигнали проходять через ідентичні цифрові фільтри низьких частот для видалення шуму та усереднення даних.
Результатом процесу демодуляції є два стабільних значення постійного струму. Щоб очистити їх, ви використовуєте цифрові фільтри, як-от гребінець каскадного інтегратора (CIC) або кінцеву імпульсну характеристику (FIR), які повинні пригнічувати високо-сигнали частоти та створювати сигнал постійного струму (DC) без шумів.
Сигнали очищення.CIC популярний, оскільки не вимагає зберігання коефіцієнтів фільтра або множення. Він ґрунтується на найпростіших обчисленнях-, щоб застосувати ці фільтри, вам потрібно лише віднімання та додавання. Ви також можете досягти -низькочастотної фільтрації зі значно меншою обчислювальною складністю, ніж за допомогою FIR.
Хоча FIR все ще має застосування, він вимагає надзвичайно низької-частоти зрізу, що призводить до складних операцій, значного споживання ресурсів і більшої затримки. Якщо ви віддаєте перевагу FIR, ви можете оптимізувати за допомогою подвійних фільтрів, які спільно використовують одну таблицю коефіцієнтів. Цей метод забезпечує чудову продуктивність, низьку обчислювальну складність і низьке використання ресурсів.
Мінімальні затримки.Після мікшування сигнал все ще може бути шумним. Щоб очистити це, блокування-має усереднити сигнал. Усереднення є поширеним джерелом затримок, оскільки за своєю природою воно не може змінюватися миттєво і має вимірюватися з часом.
Якщо усереднити дуже короткий проміжок часу, вихід дуже швидко реагуватиме на зміни, але ви не зможете відфільтрувати багато шуму. Навпаки, усереднення протягом тривалого періоду ефективно усуває шум і дає чистий і стабільний результат, але знадобиться багато часу, щоб відреагувати на зміну реального сигналу.
Установіть постійну часу-, яка вимірює швидкість реакції системи на вхідні дані-на дуже коротке значення. Хоча вихідний сигнал може бути шумним, він майже миттєво реагує на будь-які зміни. Коли ви поступово збільшуєте постійну часу, вихід почне відставати. Щоб отримати найкоротший можливий час усереднення, зупиніться, коли сигнал стане достатньо стабільним для надійного вимірювання.
Переваги цифрового впровадження
За допомогою підсилювачів із цифровим блокуванням-професіонали лабораторії можуть змінювати такі параметри-, як налаштування фільтра, частоту модуляції та посилення-простим редагуванням рядка коду. Немає необхідності торкатися будь-якого обладнання. Цифрове керування дозволяє використовувати більш складні, адаптивні методи стабілізації, які важко або неможливо реалізувати за допомогою аналогових компонентів.
Крім того, що ця система більш інтуїтивно зрозуміла, ця система, як правило, доступніша. Один програмований пристрій буде значно дешевшим, ніж кілька спеціалізованих електронних блоків з аналоговими компонентами. У реальних-налаштуваннях системи лазерної стабілізації з цифровою обробкою сигналу є ефективними, потужними та-рентабельними.
Скануюча зондова мікроскопія (SPM), наприклад, надає мікро- та нанорозмірні карти топології поверхні. Зазвичай компонування точок сканування визначається в рамках растрових шаблонів прямокутної топографії. Ризик цієї стратегії полягає в тому, що цінні дані можуть бути втрачені через недостатню щільність сканування. Крім того, система може бути переповнена даними, якщо буде достатньо нижчої роздільної здатності.
Контролер, який підтримує адаптивне сканування, робить збір даних більш ефективним. Одне тематичне дослідження продемонструвало, що навіть недорогий процесор цифрових сигналів може досягти продуктивності, порівнянної з---сучасними комерційними мікроскопами, щоб забезпечити 16-, 18- і 20-бітну роботу. Цей експеримент продемонстрував потенціал використання гнучких, готових компонентів для створення потужних інструментів.
Більша бітова глибина означає, що контролер може вимірювати набагато менші перепади висоти. Зображення на нанорозмірі потребує надзвичайної точності для виявлення дрібних особливостей, а спеціальна система, яка використовується на додатках-на платах, підвищує власну 14-бітну роздільну здатність до 18- та 20-бітної для більш точного контролю та вимірювання.
Прототипи систем лазерної стабілізації
Цифровий блок-в підсилювачах є значно точнішим, ніж їхні аналогові аналоги завдяки синтезу частоти та фазо-чутливому виявленню (див. рис.. 1). Цифрові реалізації пропонують більшу гнучкість і масштабованість, незважаючи на додаткову складність реалізації. Під час проектування аналогових пристроїв деякі помилки важко пом’якшити через обмеження аналогової електроніки.
Незалежно від того, чи дослідники квантової оптики використовують цифрову обробку сигналів для створення складних мереж зворотного зв’язку чи в університетських лабораторіях навчають студентів принципам лазерної фізики, ці системи лазерної стабілізації явно перевершують свої аналогові аналоги.
Щоб побудувати ефективну систему, люди повинні відійти від безладного, застарілого апаратного забезпечення до розумного, гнучкого програмного забезпечення. Під час створення прототипу вони повинні встановити постійну часу фільтра якомога коротшою, щоб збалансувати час реакції та стабільність сигналу помилки. Петля стабілізаційного зворотного зв'язку має бути швидшою за дрейф лазера.
Хороша фіксація-вимірювання базується на оптимальному опорному сигналі. При використанні зовнішнього опорного джерела вони повинні переконатися, що частота чітко визначена та не містить фазового шуму. Після проведення деяких заходів із забезпечення якості наперед, їхня система впорається з більшою частиною роботи. Якщо потрібні коригування, це так само легко, як змінити рядок коду.
Перехід до цифрових реалізацій
Стабілізація лазера вимагає виявлення дуже слабкого сигналу помилки через значний шум. Блокування-підсилювача чудово справляється з його вилученням, але не всі однакові. Цифрова, програмно{3}}визначена платформа замінює громіздке, дороге апаратне забезпечення та робить прототипування та впровадження швидшими, дешевшими та гнучкішими (див. рис. . 2).
У гонитві за точністю колись-поширений аналоговий підсилювач-тепер застарів. Хоча його сучасний аналог все ще придатний для використання, він явно кращий. Незалежно від того, чи використовуєте ви аналогове блокування-в підсилювачах 1970-х років чи працюєте над своїм першим проектом цифрової обробки сигналу, ви можете легко виправдати оновлення.
