Moku:Pro를 통한 푸리에 변환 초고속 분광학 발전

푸리에 변환 초고속 분광법(FTUS)은 과학자들이 탁월한 속도와 정밀도로 스펙트럼을 캡처하고 분석하는 방식에 혁명을 일으킨 강력한 기술입니다. FTUS는 푸리에 변환 원리를 사용하여 참조 신호에 대한 간섭 접근 방식을 사용하여 복잡한 신호를 진동수 성분으로 효율적으로 분석합니다. 이 방법을 사용하면 개별 파장이나 진동수를 스캔하지 않고도 모든 관련 진동수 정보를 동시에 포함하는 포괄적인 스펙트럼 획득이 가능합니다.

프리즘이나 회절 격자를 사용하여 빛의 강도를 파장의 함수로 측정하는 전통적인 분산 분광법과 달리 FTUS는 직렬 스캐닝의 제한을 받지 않으므로 다양한 과학 및 엔지니어링 영역에서 없어서는 안될 도구입니다. 전체 스펙트럼을 신속하고 정확하게 획득하는 능력은 FTUS를 차별화하며 신속한 데이터 수집, 높은 스펙트럼 분해능, 고감도로 약한 신호를 감지하는 능력과 같은 이점을 제공합니다. 그 영향은 재료 특성화부터 생물학적 연구에 이르기까지 다양한 분야에 걸쳐 확장되며, 여기서 정확한 스펙트럼 분석은 과학 발전에 매우 중요합니다.

우한에 있는 중국과학원 팀이 이를 활용하고 있다. Moku:Pro는 일반적인 벤치 필수품부터 고유한 필수 장비에 이르기까지 15개 이상의 소프트웨어 정의 장비를 제공하여 가장 실험적인 실험실 설정도 간소화하는 고급 FPGA 기반 테스트 장비입니다. 사용하여 락인 증폭기 및 Moku 클라우드 컴파일, ShaoGang Yu 박사는 다양한 안정화 설정에 정밀 기기를 사용하여 팀의 연구를 발전시켰습니다.

효율성에도 불구하고 고감도, 고해상도 및 효율적인 FTUS 기술을 추구하는 것은 연구자들의 지속적인 노력으로 남아 있습니다. FTUS 기술의 핵심은 기계적 진동 및 공기 흐름을 포함한 환경 소음에 민감한 간섭계 암 길이에 있습니다. 사소한 교란으로도 광 경로 길이와 간섭 위상이 변경되어 신호 측정 감도와 신호 대 노이즈 비(Signal to Noise Ratio, SNR)에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 안정적인 간섭 암 길이 락 메커니즘을 달성하는 것은 FTUS 기술 발전에 필수적입니다.

현재 접근 방식은 FTUS 여기 레이저와 동축으로 전파되는 기준 레이저를 활용하는 데 중점을 둡니다. 기준 레이저의 간섭 무늬 지터를 꼼꼼하게 모니터링하고 락 하는 것으로 연구 팀이 원하는 인터퍼로미터 암의 안정성을 얻을 수 있습니다. 그러나 레퍼런스 레이저는 인터퍼로미터 암 길이를 안정화를 할 수는 있지만, 샘플을 자극하는 데에는 사용할 수 없다는 점에서 문제가 발생합니다. 이에 대한 해법으로 레이저와 크게 다른 파장을 가진 레퍼런스 레이저가 일반적으로 실험에 사용됩니다. 하지만 이 방식에는 큰 단점이 있습니다. 레이저와 비교하여 참조 레이저에서 경험하는 위상 지터에 상당한 차이가 있습니다. 이러한 불일치는 FTUS 기술 지표의 향상과 광범위한 적용을 심각하게 제한하므로 연구자들은 복잡한 실험과 실제 적용에서 최적의 결과를 얻기 위한 방법론을 혁신하고 개선해야 합니다.

이 문제를 해결하기 위해 정밀측정과학기술혁신아카데미 연구원인 유 교수와 그의 팀은 다음과 같은 방법을 활용했습니다. 다중 장비 모드 매우 안정적인 기준 레이저와 함께 Moku:Pro용. Lock-in Amplifier를 사용하여 실시간 간섭 위상 측정을 복조하고 Moku Cloud Compile을 사용하여 사용자 정의 알고리즘을 구현했습니다. 이 기능은 사용자가 장치 내 FPGA에 액세스하여 사용자 정의 기능을 활성화할 수 있도록 하는 모든 Moku 제품에 사용할 수 있는 기능입니다. Moku Cloud Compile을 사용하면 사용자는 웹 브라우저를 사용하여 원하는 코드를 작성하고 클라우드에서 컴파일한 다음 앱에 있는 하나 이상의 Moku 장치에 비트스트림을 배포하기만 하면 됩니다. 완전한 유연성을 위해 사용자는 HDL로 코드를 작성할 수 있습니다. 예, 또는 Simulink, MATLAB 및 HDL Coder와 같은 호환 도구를 사용하여 작업할 수 있습니다.

이러한 유연성 덕분에 유 교수는 실시간으로 위상을 변환하여 모든 파장에서 정밀한 위상 결정이 가능하고 원활한 데이터 수집 및 기록이 가능해졌습니다. 이 솔루션은 레이저 파장의 현저한 차이로 인해 발생하는 위상 지터 문제를 성공적으로 완화하여 궁극적으로 고감도, 고해상도 및 효율적인 FTUS 기술의 발전을 가능하게 합니다.

놀랍게도, 이 간소화된 프로세스는 Moku:Pro 장치 하나만으로 가능합니다. 위상 측정, 위상 변환, 포괄적인 데이터 수집 등의 측면에서 장치의 다재다능한 다중 계측기 모드(Multi-Instrument Mode) 기능을 최대한 활용하기 때문입니다. 이 측정 방법의 개발은 FTUS 기술의 지속적인 발전에 있어 중요한 이정표를 나타내며, 그 잠재적 응용 분야를 크게 확장합니다. 이 기술의 영향력은 물리학, 화학, 생물학, 천문학 연구 등 다양한 과학 분야에 걸쳐 있으며, 엄청난 가치와 향후 획기적인 발전 가능성을 지니고 있습니다.

그림 1과 그림 2는 다중 계측 모드 및 록인 증폭기 구성의 설정을 보여줍니다. 이 시스템에서 록인 증폭기와 Moku 클라우드 컴파일은 위상 변환을 수행하기 위해 함께 작동합니다. 이후, 슬롯 3의 두 번째 록인 증폭기는 변환된 위상 신호를 사용하여 입력 신호를 복조합니다. 복조된 결과는 다음에서 수집됩니다. 데이터 로거 처리를 위해 슬롯 4에 있습니다. 이 연구는 Moku Cloud Compile로 구현된 FTUS 분야를 발전시키기 위한 새로운 알고리즘으로 이어졌습니다.

그림 3에 제시된 복조 데이터에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한 후 팀은 SNR이 높은 정확한 스펙트럼을 성공적으로 얻었습니다(그림 4 참조). 이 고정밀 스펙트럼은 분석 중인 입자의 물리적 특성을 나타냅니다.

그림 3: 락인 증폭기의 내장형 데이터 로거를 사용하여 캡처한 복조 결과.

그림 4에서 파란색 선은 목표 파장에서 700nm 떨어진 74nm 파장의 레이저를 사용하여 캡처한 데이터에 해당합니다. 반면 빨간색 선은 복조를 위해 800 nm 파장 레이저를 사용하여 얻은 데이터를 나타냅니다. 특히 빨간색 선은 파란색 선에 비해 더 나은 SNR을 보여줍니다. 이러한 개선은 빨간색 선의 레이저 파장이 목표 파장에 48nm 더 가까워 최종 결과에서 위상 교란이 적기 때문일 수 있습니다.

Moku:Pro가 지원하는 위상 변환 기능을 활용하여 연구원은 복조 신호의 파장을 미세 조정하여 대상 파장과 밀접하게 정렬할 수 있습니다. 결과적으로 SNR이 더욱 향상되어 약한 신호를 감지하고 잡음이 많은 환경에서 작동하는 데 상당한 이점을 제공합니다. 이는 FTUS 분야를 혁신시키는 Moku:Pro의 역량과 잠재력을 강조합니다.

그림 4: 고속 푸리에 변환(FFT) 후의 스펙트럼 결과.

유 교수는 자신의 팀의 연구 성과를 되돌아보며 Moku:Pro의 성능과 유연성을 칭찬했습니다.

"Moku:Pro는 Lock-in Amplifier와 같은 강력한 소프트웨어 정의 계측기를 제공할 뿐만 아니라, 다중 계측기 모드와 Moku 클라우드 컴파일은 전례 없는 유연성을 제공합니다."라고 그는 말했습니다. "이 두 가지의 조합 덕분에 과거에는 매우 어려웠던 실험을 성공적으로 수행할 수 있었습니다."

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