니라즈 프라케시, 대학원 연구 조수 콜로라도 대학교, 볼더, 그리고 그의 팀은 새로운 레이저 소스를 개발하고 빛의 눈금자 역할을 하는 등거리 선으로 구성된 광학 스펙트럼인 주파수 빗살의 개발을 확대하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 연구원들은 수년 동안 다양한 응용 분야에 맞게 파장이 매우 다양한 레이저 소스를 개발해 왔으며, 여기에는 새로운 역전파 전정규분산(CANDi) 파이버 레이저[1]도 포함됩니다. CANDi는 단일 공동, 듀얼 빗살 레이저 소스로 반대 방향으로 거의 동일한 주파수 빗살 두 개를 생성할 수 있어 불안정한 타이밍 지터를 해결하는 데 필요한 장비의 양을 획기적으로 줄여줍니다. 이 발견은 이미징, 분광학, 원격 감지, 광 감지 및 거리 측정(LiDAR)을 포함한 다양한 듀얼 빗살 응용 분야에 도움이 됩니다.
그림 1: 광학 테이블 위의 Moku:Lab
CANDi 파이버 레이저를 구현하기 위해 Neeraj는 소프트웨어 정의를 활용합니다. PID 컨트롤러, 파형 발생기글렌데일 락인 증폭기 Moku:Lab에서 지원하는 계측기와 광 스펙트럼 분석기와 같은 다른 실험실 장비가 있습니다. Moku:Lab은 하나의 장치에서 테스트 및 측정 요구 사항에 대한 소프트웨어 정의 계측기의 전체 스펙트럼을 제공하므로 Neeraj와 그의 팀은 이 다재다능한 솔루션을 여러 프로젝트에 사용할 수 있습니다.
Moku:Lab FPGA의 디지털 신호 처리 성능과 다재다능하고 저잡음 아날로그 입출력을 결합한 재구성 가능한 하드웨어 플랫폼입니다. 소프트웨어 정의 기능을 통해 Moku:Lab은 14개 이상의 테스트 장비를 제공합니다. 다중 장비 모드(MiM)를 사용하면 여러 장비를 결합하여 손실 없이 상호 연결하여 동시에 실행할 수 있습니다.
난제
주파수 빗을 생성할 때 레이저 펄스 간에 일관된 타이밍을 유지하는 것이 필수적입니다. 레이저 펄스 타이밍의 약간의 변화는 시스템에 문제가 되는 지터와 타이밍 오류를 일으킬 수 있습니다. LiDAR와 같은 듀얼 빗 애플리케이션에서 레이저는 잡음이 거의 없거나 전혀 없이 고해상도와 고속을 모두 가져야 합니다. 일반적으로 이러한 값 사이에는 상충 관계가 있습니다. 낮은 해상도로 고속을 달성하거나 그 반대입니다.
Neeraj와 그의 팀은 시스템 노이즈를 해결하는 새로운 방법으로 CANDi 파이버 레이저를 개발했습니다. 이 혁신적인 방법을 사용하면 하나의 파이버 레이저가 반대 방향으로 두 개의 주파수 빗살을 생성합니다. 타이밍 오류와 주파수 드리프트가 있는 경우에도 레이저는 서로 안정화됩니다. 이 동적 방법은 시스템의 타이밍 오류를 크게 줄이는 동시에 추가 안정화 전자 장치의 필요성을 줄였습니다.
CANDi를 구현하기 위해 Neeraj와 그의 팀은 참조 신호를 생성하는 파형 생성기와 주파수 빗살 펄스의 타이밍을 잠그는 PID 컨트롤러가 필요했습니다. 그들은 원래 아날로그 PID 컨트롤러를 사용했지만 컨트롤러의 주파수 응답을 알지 못한 채 실험적으로 매개변수를 조정해야 했습니다.
그림 2: PID 이득 프로파일 조정의 주파수 응답 그래프 제어
Neeraj는 신호 분석을 수행할 때 각 실험을 수동으로 실행하고, 데이터를 기록하고, 내보낸 다음, 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 주파수 영역에서 결과를 확인했습니다. 이 지루한 프로세스에는 팀이 이상적인 이득 프로필을 식별할 때까지 매개변수를 반복적으로 테스트해야 했기 때문에 귀중한 시간이 필요했습니다. 하지만 Moku:Lab을 사용하면 Neeraj는 주파수 응답과 그래프를 실시간으로 볼 수 있어 진행 속도가 크게 빨라졌습니다.
Neeraj는 "Moku는 실시간 주파수 영역 분석을 제공합니다."라고 말했습니다. "그것은 많은 시간을 절약해줍니다."
해법
Moku:Lab을 통해 Neeraj와 그의 팀은 듀얼 콤브 애플리케이션에서 프레임 속도를 높이는 지능형 방법인 동적 CANDi를 개발했습니다. 이러한 진화는 기존 레이저 소스와 일반적으로 관련된 고속과 해상도 간의 상충 관계를 제거합니다. Moku:Lab으로 전환함으로써 Neeraj는 소프트웨어 정의를 활용할 수 있었습니다. PID 컨트롤러 레이저 주파수를 느슨하게 잠그고 지터를 최소화합니다. 아날로그 전자 장치를 Moku:Lab으로 교체함으로써 팀은 게인 프로파일을 쉽게 설정하고 전달 함수의 주파수 응답을 볼 수 있습니다. 모두 Moku 앱에서 가능합니다. 이 방법을 사용하면 매개변수를 조정하고 시스템 응답을 보고 실시간으로 신호 변화를 볼 수 있으므로 시간 소모적인 추측 작업도 없어졌습니다.
연구자들은 특히 Moku:Lab Lock-in Amplifier가 고려했던 대체 모델보다 훨씬 더 나은 대역폭을 가지고 있다는 것을 깨달은 후, 추가 실험에도 장치를 구현했습니다. 사실, Moku 장치의 다재다능함 덕분에 연구실 구성원들은 종종 자신의 연구에 사용할 수 있는 입장에 처하게 됩니다.
"솔직히 말해서, Moku:Lab은 우리 연구실에서 큰 수요가 있어요." Neeraj가 말했다. "사람들은 언제나 그것을 사용하기 위해 싸우고 있어요. 우리 그룹에서는 매우 인기가 있어요."
또한 모든 Moku 장치는 다중 악기 모드를 제공하므로 이제 팀은 Moku:Lab을 사용하여 설정을 더욱 최적화할 수 있습니다. 파형 발생기, PID 컨트롤러, 오실로스코프글렌데일 스펙트럼 분석기. 이제 장비 하나만 있으면 팀은 참조 신호를 만들고, 이득 프로필을 설정하고, 주파수 응답을 모두 실시간으로 볼 수 있습니다.
결과
Neeraj는 실험의 효율성을 높이는 동시에, Moku:Lab이 실험실의 물리적 설정을 최적화하는 데도 도움이 된다는 것을 발견했습니다.
"공간을 절약할 수 있어요." 그는 말했다. "이러한 분석을 하기 위해 여러 가지를 서로 위에 쌓아 놓을 필요가 없어요. 그저 기기를 바꿔가며 사용할 수 있어요."
Moku:Lab은 Neeraj의 동적 CANDi 레이저 연구를 계속 지원할 것입니다. 앞으로 Neeraj는 Moku:Lab PID 컨트롤러를 계속 사용하는 반면 그의 동료들은 다음과 같은 다른 소프트웨어 정의 기기를 사용할 것입니다. 레이저 락 박스그는 내장된 데이터 로거를 사용하여 SD 카드에 빠르게 데이터를 기록할 수 있으므로 결과를 캡처하는 데 드는 시간과 노력을 절약할 수 있습니다.
이 팀은 맞춤형 FPGA 프로그래밍을 포함한 다양한 애플리케이션에서 향후 프로젝트에서도 Moku:Lab을 계속 사용할 계획입니다. Moku 클라우드 컴파일 사용자가 Moku 장치 내부의 FPGA에 비트스트림을 코딩, 컴파일 및 배포하여 사용자 정의 기능을 활성화하고 복잡한 신호 처리 파이프라인을 구축할 수 있도록 합니다. 웹 세미나 ChatGPT를 사용하여 사용자 정의 VHDL을 작성하는 것에 대한 팀의 관심이 고조되었습니다. 그들은 앞으로 몇 년 동안 실험실의 다양한 애플리케이션에서 이 기능을 테스트할 계획이며, 광범위한 테스트에서 Moku:Pro 및 Moku:Go 장치도 사용할 계획입니다.
Neeraj와 그의 동료들은 Moku:Lab에 의존하여 오늘날 알려진 최첨단 레이저 소스 중 일부를 발전시켰습니다. 이 팀의 최근 개발품인 고에너지 단일 캐비티 듀얼 콤 동적 CANDi 파이버 레이저로 많은 산업에서 보안 검색을 위한 테라헤르츠 이미징과 같은 엄청난 개선을 볼 수 있을 것입니다. CU Boulder의 또 다른 연구실에서는 제약 및 수질 모니터링에 응용되는 라만 분광법을 위한 레이저를 실험하고 있습니다.[2]더 자세히 알아보려면 더 깊이 파고들어보세요. 현미경 및 분광학 응용 분야.
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참고자료
[1] B. Li, N. Prakash 및 SW Huang, "자체 시작 및 저잡음 역전파 전정규분산(CANDi) 파이버 레이저", 2022 레이저 및 전기광학 컨퍼런스(CLEO), 미국 캘리포니아주 샌호세, 2022, pp. 1-2.
[2] E. Adams, “연구원들은 단순화된 듀얼 빗살 분광법을 상용화하는 데 큰 진전을 이루었습니다.” 전기, 컴퓨터 및 에너지 공학, https://www.colorado.edu/ecee/2022/08/30/researchers-make-strides-commercializing-simplified-dual-comb-spectroscopy (24년 2023월 XNUMX일 접속).
