引言
傅里叶变换超快光谱 (FTUS) 是一项强大的技术，彻底改变了科学家以卓越的速度和精度捕获和分析光谱的方式。通过采用傅立叶变换原理，FTUS 通过对参考信号采用干扰方法，有效地将复杂的信号分解为其频率分量。该方法可以全面采集光谱，同时包含所有相关频率信息，而无需扫描单个波长或频率。
传统的色散光谱依靠棱镜或衍射光栅来测量光强度与波长的函数关系，与此相反，FTUS 不受串行扫描的限制，使其成为各个科学和工程领域不可或缺的工具。快速、准确地获取完整光谱的能力使 FTUS 脱颖而出，并具有快速数据收集、高光谱分辨率以及高灵敏度检测微弱信号的能力等优势。它的影响遍及各个领域，从材料表征到生物研究，其中精确的光谱分析对于科学进步至关重要。
位于武汉的中国科学院的一个团队正在利用 Moku:Pro是一款基于 FPGA 的先进测试设备，可提供超过 15 种软件定义仪器（从常见的工作台必需品到独特的必备仪器），甚至可以简化最具实验性的实验室设置。 使用 锁相放大器 以及 Moku 云编译ShaoGang Yu 博士通过在各种稳定设置中使用精密仪器推进了团队的研究。
挑战
尽管 FTUS 技术非常有效，但对高灵敏度、高分辨率和高效的 FTUS 技术的追求仍然是研究人员不断努力的目标。 FTUS技术的关键在于干涉仪臂长，它容易受到环境噪声的影响，包括机械振动和气流。 即使很小的干扰也会引起光路长度和干涉相位的变化，从而影响信号测量灵敏度和信噪比 (SNR)。 因此，实现稳定的干涉臂长度锁定机制对于推进 FTUS 技术至关重要。
目前的方法侧重于利用与 FTUS 激发激光同轴传播的参考激光。 通过仔细监测和锁定参考激光器的干涉条纹抖动，研究人员可以获得所需的干涉臂长度稳定性。 然而，一个重大挑战来自以下事实：参考激光虽然有助于稳定干涉仪臂长，但不能用于激发样品。 作为一种解决方法，实验中通常采用波长与激发激光显着不同的参考激光。 然而，这种解决方法带来了一个显着的缺点——与激发激光器相比，参考激光器所经历的相位抖动存在显着差异。 这种差异严重制约了FTUS技术指标的提升及其更广泛的应用，敦促研究人员创新和完善方法，以在复杂的实验和实际应用中获得最佳结果。
解决方案
为了解决这个问题，该院精密测量科学与技术创新研究院研究员余教授及其团队利用 多仪器并行模式 Moku:Pro 与超稳定参考激光器结合使用。 他们使用锁定放大器解调实时干扰相位测量，并通过 Moku Cloud Compile 实现自定义算法，该功能适用于所有 Moku 产品，使用户可以访问设备内的 FPGA 以启用自定义功能。 通过 Moku 云编译，用户只需使用 Web 浏览器编写所需的代码，在云端进行编译，然后将比特流部署到应用程序中的一台或多台 Moku 设备上。 为了获得完全的灵活性，用户可以用 HDL 编写代码，从我们的之一开始 例子，或使用 Simulink 或 MATLAB 和 HDL Coder 等兼容工具。
这种灵活性使余教授能够实时转换相位，从而能够在任何波长下精确确定相位，并促进无缝数据采集和记录。 该解决方案成功缓解了激光波长显着差异引起的相位抖动的挑战，最终推动了高灵敏度、高分辨率和高效 FTUS 技术的发展。
值得注意的是，这一简化的流程仅需一台 Moku:Pro 设备即可完成，因为它充分利用了设备多功能的多仪器模式功能，可进行相位测量、相变和全面的数据采集等操作。该测量方法的开发代表了 FTUS 技术持续改进的重要里程碑，极大地拓展了其潜在应用领域。其影响涵盖物理、化学、生物和天文学等多个科学领域，在这些领域中，它具有巨大的价值和广阔的突破前景。
图 1 和图 2 分别展示了多仪器模式和锁相放大器的配置。在该系统中，锁相放大器和 Moku Cloud Compile 协同工作，完成相位变换。随后，位于 Slot 3 的第二个锁相放大器使用变换后的相位信号对输入信号进行解调。解调后的数据随后由 数据记录器 在插槽 4 中进行处理。 这项研究催生了一种新颖的算法来推进 FTUS 领域的发展，该算法是通过 Moku Cloud Compile 实现的。
图1： Moku:Pro 多仪器模式配置，可同时部署四种仪器。
图 2：带有 500 Hz 低通滤波器和外部 PLL 参考的 FTUS 锁相放大器配置。
结果
对图 3 所示的解调数据进行快速傅立叶变换 (FFT) 后，该团队成功获得了具有高 SNR 的准确频谱（如图 4 所示）。这种高精度光谱代表了被分析颗粒的物理特性。
图 3：使用锁相放大器的嵌入式数据记录器捕获的解调结果。
在图 4 中，蓝线对应于使用波长为 700 nm 的激光捕获的数据，与目标波长相差 74 nm。 相反，红线表示使用 800 nm 波长激光进行解调获得的数据。 值得注意的是，与蓝线相比，红线表现出更好的 SNR。 这一改进可归因于红线激光的波长更接近目标波长 48 nm，从而导致最终结果中的相位扰动更少。
通过利用 Moku:Pro 实现的相变功能，研究人员可以微调解调信号的波长，使其与目标波长紧密结合。 因此，信噪比进一步增强，在微弱信号检测和高噪声环境下运行方面具有显着优势。 这凸显了 Moku:Pro 推进 FTUS 领域发展的能力和潜力。
图 4：快速傅立叶变换 (FFT) 后的频谱结果。
在回顾其团队的研究成果时，余教授对Moku:Pro的性能和灵活性表示赞赏。
“Moku:Pro 不仅提供了强大的软件定义仪器，例如锁相放大器，多仪器模式和 Moku Cloud Compile 也为我们带来了前所未有的灵活性，”他说道，“两者的结合帮助我们完成了过去非常困难的实验。”
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