宇宙发射的辐射能量中大约有一半是在远红外光谱范围内（30 至 1000 µm）探测到的，无论是来自我们银河系中的原恒星，还是来自当地宇宙中的超亮星系。1]为该光谱范围设计的光谱仪必须在低温（<1 K）下工作，并且通常包含需要驱动和传感的活动部件。先前的低温远红外空间天文学任务已采用多种计量技术，例如电容测微法、电感传感和光学编码。然而，基于激光的计量系统为低温部署提供了多种优势，其中最重要的是该技术固有的精度、易于集成、低功耗以及应用范围广泛。
蓝天光谱公司 （蓝天）开发了一种正弦调频 (SFM) 技术的多轴实现方案，该方案仅使用单个激光器和探测器即可测量沿 8 个独立轴的位移 [2]。位移的不确定性取决于探测激光器的稳定性。幸运的是，研究人员可以使用一些众所周知的方法来稳定激光器，例如庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 技术。但是，如果激光器不在典型的实验室环境中，而是在太空中进行远红外光谱分析，并且无人维护，情况会怎样？蓝天的一个研究团队正在努力寻找答案。在最近的一篇论文中，他们概述了为 SFM 干涉仪开发一种新型激光锁定技术。为了加快研究进度，该团队使用了 Moku:Pro，一种基于 FPGA 的设备，可提供一套可重构的测试和测量仪器。
具体来说，该团队利用 Moku PID 控制器 以及 Moku:云编译 ——一款适用于所有 Moku 设备的工具，允许用户快速部署自定义功能——用于分析 SFM 结果并向激光器提供实时反馈。通过这种方法，他们显著提高了激光器的稳定性，使其成为一项有益的技术，适用于为……提出的激光位移计量系统。 美国国家航空航天局 探测任务旨在在太空部署低温冷却的远红外光谱仪。
挑战
激光干涉法是测量位移的常用技术。使用两条光束路径，其中一条作为已知长度的参考，一条路径能够根据产生的干涉图样提取有关另一条未知路径的信息。在蓝天团队使用的SFM技术中，激光的频率经过调制，使其围绕中心载波频率振荡（即，激光频率随时间变化的曲线类似于正弦波）。为了准确分辨光路距离 (OPD) 的微小变化，激光器的载波频率必须超稳定。调制频率的范围也应该相对较大。例如，要测量小于 1 m 的 OPD，调制范围应大于 2 GHz。如此大的调制范围使得锁定激光器变得困难。
庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 锁定技术采用外部腔体，常用于实验室应用。然而，当调制范围较小且完全包含在腔体线宽内时，该技术效果最佳。此外，这些高精细度腔体不仅价格昂贵，而且需要特殊的真空外壳和受控的温度环境。传统的 PDH 技术被认为不适用于低温太空部署，因此该团队探索了替代方法。
解决方案
蓝天团队针对严苛的太空环境，对锁定技术提出了两项改进。首先，他们用一个含有低压氢氰酸 (HCN) 的气室取代了外腔，该气室的吸收线位于已知的参考频率。虽然这种方法降低了维护需求和相关成本，但吸收线线宽较小的问题仍然存在。为此，团队开发了一种新颖的锁定机制，使用 Moku Cloud Compile 生成错误信号。
原理图如图 1a 所示。1550 nm 激光器产生载波频率，正弦频率调制由独立的 FPGA 提供。光束穿过光环行器，进入 20 dB 定向耦合器。耦合器输出的大部分激光功率用于位移测量（相关的 OPD 变化用 ΔΛ 表示），但一小部分会穿过 HCN 腔。
调频激光穿过气室产生的信号，经探测器数字化后发送至 Moku:Pro。Blue Sky 团队使用 Moku Cloud Compile 功能运行自定义程序来生成误差信号。此信号处理步骤的目的是将探测器的数字化信号转换为误差信号，并馈送到 PID 控制器。为此，首先计算检测到的信号的导数，当激光频率穿过 HCN 吸收线中心时，会产生零交叉。随后，根据信号在线两侧停留的时间计算这些零交叉的占空比。占空比与标称值 50% 的偏差构成了误差信号的基础，然后该误差信号被传递至 Moku PID 控制器以形成主动反馈回路。这种计算误差信号的方法使得团队能够在 3 GHz 的宽范围内对载波进行频率调制，同时将激光器紧紧锁定在线宽仅为 0.2 GHz 的气室参考上。
图 1：实验装置。（a）激光锁定系统，采用气体电池参考和使用 Moku Cloud Compile 的多步骤分析程序。（b）多仪器模式设置，采用 Moku 示波器进行调试，以及 Moku 数字滤波盒用于预滤波误差信号。
FPGA 编程通常是一项复杂且耗时的任务，但 Moku Cloud Compile 简化了在 Moku 硬件上编写和部署自定义代码的流程。Blue Sky 的 Christiansen 博士将 Moku Cloud Compile 的快速原型设计流程归功于其在信号处理和分析方面的出色表现。“我专门为这个项目推荐了 Moku:Pro，”Christiansen 博士说道，“其他设备的设计并没有考虑到 2025 年的需求。”
“它可以直接运行，我不用自己写样板代码，”他说，“Moku:Pro 让我们能够轻松地测试新想法，探索最终将集成到我们自己的 FPGA 平台中的校准策略。”
虽然 Moku Cloud Compile 和 Moku PID 控制器构成了实验反馈回路的骨干，但该团队还使用了 Moku 等调试工具 示波器以及 Moku 数字滤波器 用于预滤波信号。该团队的 多I仪器并行模式 配置如图1b所示。
结果
在改进的反馈回路到位后，该团队尝试以 1312.6 nm 高频稳频激光验证系统 (HFV) 作为参考，评估其激光锁定方法。在 HFV 到位后，该团队可以通过计算与 HFV 系统相比测量到的位移差异，系统地评估自由运行和未锁定干涉仪的精度。他们发现，相对误差从自由运行情况下的约 3 ppm 下降到锁定情况下的 0.04 ppm，其不确定度与大气折射率大致相同 [3]。
蓝天公司将干涉仪的精度提高了两个数量级，并积极致力于将其系统商业化，并希望看到它被用于未来的太空探测器，包括美国宇航局的PRIMA任务，该任务旨在开发远红外光谱技术，用于研究从星系形成到行星及其大气组成等课题[4]。
Christiansen 博士表示，“由于这个项目，Moku:Pro 已经成为我的首选 测试 和测量工具。”
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案例
[1] Hauser, MG 和 Dwek, E.，“宇宙红外背景：测量及其含义”，天文学和天体物理学年度评论 39(1)，249307 (2001)。
[2] A. Christiansen, D. Naylor 和 B. Gom. “低温距离分辨激光干涉仪的多轴应用”。《光子仪器工程 X》，12428:124280Z。 （2023）。 DOI：10.1117 / 12.2647283.
[3] AJ Christiansen、DA Naylor、MA Buchan 和 BG Gom。“一种用于 FMCW 系统的新型激光频率稳定技术。” 引自： SPIE 13373 程序，光子仪器 工程学 XII, 133730C。 （2025）。 DOI：10.1117 / 12.3040732.
[4] 加州理工学院。 https://prima.ipac.caltech.edu/.
致谢
这个程序 or 项目 or 该活动是在加拿大航天局的财政支持下进行的。
