우리 은하의 원시별에서든, 지역 우주의 초고휘도 은하에서든 우주에서 방출되는 복사 에너지의 약 절반은 극적외선 스펙트럼 범위(30~1000µm)에서 감지됩니다.1]이 스펙트럼 범위에 맞게 설계된 분광계는 극저온(<1K)에서 작동해야 하며, 작동 및 감지가 필요한 움직이는 부품을 포함하는 경우가 많습니다. 이전의 극저온 원적외선 우주 천문 임무에는 정전용량 마이크로미터법, 유도 감지, 광학 인코딩과 같은 여러 계측 기술이 사용되었습니다. 그러나 레이저 기반 계측 시스템은 극저온 배치에 여러 가지 장점을 제공하는데, 그중에서도 가장 중요한 것은 기술의 고유한 정밀성, 통합 용이성, 낮은 전력 소모량, 그리고 광범위한 적용 범위입니다.
블루 스카이 분광학 주식회사 (Blue Sky)는 사인파 주파수 변조(SFM) 기술의 다축 구현을 개발했습니다. 이 기술을 사용하면 단일 레이저와 검출기만으로 8개의 독립 축을 따라 변위를 측정할 수 있습니다[2]. 변위의 불확실성은 프로빙 레이저의 안정성에 따라 달라집니다. 다행히 연구자들이 레이저를 안정화하는 데 사용할 수 있는 잘 알려진 방법들이 몇 가지 있습니다. 예를 들어 파운드-드레버-홀(PDH) 기법이 있습니다. 하지만 레이저가 일반적인 실험실 환경이 아니라 우주에서 원적외선 분광법을 수행하고 아무도 관리할 수 없다면 어떨까요? Blue Sky의 연구팀은 이 질문에 대한 답을 찾고 있습니다. 최근 발표된 논문에서 그들은 SFM 간섭계를 위한 새로운 레이저 잠금 기술 개발을 설명했습니다. 연구 개발을 가속화하기 위해 연구팀은 Moku:Pro테스트 및 측정 장비의 재구성 가능한 제품군을 제공하는 FPGA 기반 장치입니다.
특히 팀은 다음을 활용했습니다. Moku PID 컨트롤러 및 Moku:클라우드 컴파일 — 모든 Moku 기기에서 사용 가능한 도구로, 사용자가 SFM 결과를 분석하고 레이저에 실시간 피드백을 제공하는 맞춤형 기능을 신속하게 구축할 수 있도록 합니다. 이 접근 방식을 사용하여 레이저의 안정성을 크게 향상시켜 제안된 레이저 변위 계측 시스템에 유용한 기법을 제공했습니다. NASA 프리마 극저온으로 냉각된 원적외선 분광기를 우주에 배치하는 것을 목표로 하는 탐사 임무입니다.
난제
레이저 간섭계는 변위 측정에 널리 사용되는 기술입니다. 두 개의 빔 경로를 사용하며, 하나는 알려진 길이의 기준 경로로 작용하고, 그 결과 생성되는 간섭 패턴을 기반으로 알려지지 않은 다른 경로에 대한 정보를 추출할 수 있습니다. Blue Sky 팀에서 사용하는 SFM 기법에서는 레이저 주파수가 중앙 반송파 주파수를 중심으로 진동하도록 변조됩니다(즉, 레이저 주파수 대 시간 그래프가 사인파와 유사함). 광 경로 거리(OPD)의 작은 변화를 정확하게 분석하려면 레이저 반송파 주파수가 매우 안정적이어야 합니다. 변조 주파수 범위 또한 비교적 넓어야 합니다. 예를 들어, 1m 미만의 OPD를 측정하려면 변조 범위가 2GHz 이상이어야 합니다. 이처럼 넓은 변조 범위는 레이저 잠금을 어렵게 만듭니다.
외부 공동을 사용하는 파운드-드레버-홀(PDH) 잠금 기술은 실험실 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 그러나 이 기술은 변조 범위가 작고 공동의 선폭 내에 완전히 포함될 때 가장 효과적입니다. 더욱이, 이러한 고밀도 공동은 비용이 많이 들 뿐만 아니라 특수 진공 하우징과 온도 제어 환경이 필요합니다. 기존의 PDH 기술은 극저온 우주 기반 배치에는 적합하지 않다고 판단되어 연구팀은 대안을 모색했습니다.
해법
블루 스카이 팀은 우주의 혹독한 환경에 특별히 맞춰진 잠금 기술에 두 가지 개선점을 제안했습니다. 첫째, 외부 공동을 기준 주파수가 알려진 흡수선을 갖는 저압의 시안화수소(HCN)가 포함된 가스 셀로 교체했습니다. 이 방식은 유지 보수 요구 사항과 관련 비용을 모두 절감했지만, 흡수선의 선폭이 좁다는 문제는 여전히 남아 있었습니다. 이를 위해 연구팀은 Moku 클라우드 컴파일을 사용하여 오류 신호를 생성하는 새로운 잠금 메커니즘을 개발했습니다.
회로도는 그림 1a에 개략적으로 나타나 있습니다. 1550nm 레이저는 별도의 FPGA에서 제공하는 사인파 주파수 변조를 통해 반송파 주파수를 생성합니다. 빔은 광 순환기를 통과하여 20dB 방향성 결합기로 들어갑니다. 결합기에서 나오는 레이저 출력의 대부분은 변위 측정(관련 OPD 변화량 ΔΛ)으로 향하지만, 일부는 HCN 셀을 통과합니다.
가스 셀을 통과하는 주파수 변조 레이저에서 생성된 신호는 검출기에 의해 디지털화되어 Moku:Pro로 전송됩니다.Blue Sky 팀은 Moku Cloud Compile 기능을 사용하여 자체 맞춤 절차를 실행하여 오류 신호를 생성했습니다.이 신호 처리 단계의 목적은 검출기에서 디지털화된 신호를 가져와 PID 컨트롤러에 공급되는 오류 신호로 변환하는 것입니다.이를 위해 먼저 검출된 신호의 미분을 계산하여 레이저 주파수가 HCN 흡수선의 중심을 통과할 때 제로 크로싱을 생성합니다.그런 다음 이러한 제로 크로싱의 듀티 사이클은 신호가 라인의 양쪽에서 소비하는 시간의 양을 기반으로 계산됩니다.공칭 값인 50%에서 듀티 사이클의 편차는 오류 신호의 기초를 형성하고, 이 신호는 Moku PID 컨트롤러로 전달되어 활성 피드백 루프를 형성합니다. 이 오차 신호를 계산하는 방법을 통해 연구팀은 레이저를 3GHz의 선폭을 갖는 가스 셀 기준에 단단히 고정한 채로 0.2GHz의 넓은 범위에 걸쳐 캐리어의 주파수를 변조할 수 있었습니다.
그림 1: 실험 설정. (a) 가스 셀 기준과 Moku Cloud Compile을 사용한 다단계 분석 절차를 갖춘 레이저 잠금 시스템. (b) 디버깅을 위한 Moku 오실로스코프와 오류 신호를 사전 필터링하기 위한 Moku 디지털 필터 박스를 갖춘 다중 계측기 모드 설정.
FPGA 프로그래밍은 일반적으로 복잡하고 시간이 많이 걸리는 작업이지만, Moku Cloud Compile은 Moku 하드웨어에서 커스텀 코드를 작성하고 배포하는 과정을 간소화합니다. Blue Sky의 크리스티안센 박사는 Moku Cloud Compile의 신속한 프로토타입 제작 프로세스가 신호 처리 및 분석에 도움이 되었다고 말합니다. 크리스티안센 박사는 "이 프로젝트에는 특별히 Moku:Pro를 추천했습니다."라고 말하며, "다른 장비들은 2025년의 요구를 고려하지 않았습니다."라고 덧붙였습니다.
"직접 보일러플레이트 코드를 작성할 필요 없이 바로 실행됩니다."라고 그는 말했습니다. "Moku:Pro를 사용하면 새로운 아이디어를 손쉽게 테스트하여 궁극적으로 자체 FPGA 플랫폼에 통합될 보정 전략을 모색할 수 있습니다."
Moku Cloud Compile과 Moku PID Controller가 실험 피드백 루프의 중추를 형성하는 동안 그룹은 Moku와 같은 디버깅 도구도 사용했습니다. 오실로스코프, 그리고 모쿠도 마찬가지다 디지털 필터 박스 신호를 사전 필터링하기 위한 것입니다. 팀의 멀티-I악기 모드 구성은 그림 1b에 나와 있습니다.
결과
개선된 피드백 루프를 구축한 연구팀은 1312.6 nm HF 주파수 안정화 레이저 검증 시스템(HFV)을 기준으로 레이저 잠금 방식을 평가하고자 했습니다. HFV가 구축된 후, 연구팀은 측정된 변위와 HFV 시스템 간의 차이를 계산하여 자유 작동 및 잠금 해제 간섭계의 정확도를 체계적으로 평가할 수 있었습니다. 그 결과, 자유 작동 시 상대 오차가 약 3 ppm에서 잠금 시 0.04 ppm으로 감소했으며, 이는 대기의 굴절률과 거의 동일한 수준의 불확실성을 나타냈습니다[3].
Blue Sky는 간섭계의 정확도를 두 배나 향상시킨 후 적극적으로 시스템을 상용화하기 위해 노력하고 있으며 은하 형성에서 행성과 대기의 구성에 이르는 다양한 주제를 조사하기 위한 원적외선 분광 기술을 개발하고자 하는 NASA PRIMA 임무를 포함하여 미래의 우주 탐사선에 이 시스템이 채택되기를 바라고 있습니다. [4]
Christiansen 박사는 “이 프로젝트의 결과로 Moku:Pro가 제가 가장 선호하는 제품이 되었습니다. test 그리고 측정 도구입니다.”
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참고자료
[1] Hauser, MG 및 Dwek, E., "우주 적외선 배경: 측정 및 의미", 천문학 및 천체물리학 연례 리뷰 39(1), 249307(2001).
[2] A. Christiansen, D. Naylor, 및 B. Gom. "극저온 거리 분해능 레이저 간섭계의 다축 응용". Photonic Instrumentation Engineering X, 12428:124280Z에서, (2023). doi : 10.1117 / 12.2647283.
[3] AJ Christiansen, DA Naylor, MA Buchan 및 BG Gom. "FMCW 시스템을 위한 새로운 레이저 주파수 안정화 기술." Proc. SPIE 13373, 광자 계측 공학 XII, 133730C. (2025). doi : 10.1117 / 12.3040732.
[4] 캘리포니아 공과대학. https://prima.ipac.caltech.edu/.
감사의 글
이 프로그램은 or 프로젝트 or 이 활동은 캐나다 우주국의 재정 지원을 받아 수행됩니다.
