Moku:Proによるフーリエ変換超高速分光法の進歩

フーリエ変換超高速分光法(FTUS)は、科学者が卓越したスピードと精度でスペクトルを取得し分析する方法に革命をもたらした強力な技術です。フーリエ変換の原理を採用したFTUSは、参照信号との干渉アプローチを採用することで、複雑な信号を効率的に周波数成分に分解します。この方法により、個々の波長や周波数をスキャンすることなく、関連するすべての周波数情報を同時に包括的にスペクトルを取得することができます。

プリズムや回折格子を使って波長の関数として光強度を測定する従来の分散型分光法とは対照的に、FTUSは連続スキャニングの制約を受けないため、さまざまな科学・工学領域で不可欠なツールとなっています。FTUSは、完全なスペクトルを迅速かつ正確に取得できることから、迅速なデータ収集、高いスペクトル分解能、微弱なシグナルを高感度で検出できるなどの利点があります。正確なスペクトル分析が科学の進歩に不可欠な材料特性評価から生物学的研究まで、その影響はさまざまな分野に及んでいます。

武漢の中国科学院のチームは、 Moku:Proは、一般的なベンチ必需品からユニークで不可欠な機器に至るまで、15 を超えるソフトウェア定義の機器を提供する高度な FPGA ベースのテスト デバイスで、最も実験的なラボのセットアップも合理化します。の使用 ロックインアンプ の三脚と MokuクラウドコンパイルShaoGang Yu 博士は、さまざまな安定化設定に精密機器を採用することでチームの研究を進めてきました。

その有効性にもかかわらず、高感度、高分解能、高効率のFTUS技術を追求することは、研究者にとって依然として絶え間ない努力だといえます。FTUS技術の核心は、機械的振動や気流などの環境ノイズの影響を受けやすい干渉計アーム長にあります。些細な外乱でも光路長や干渉位相に変化をもたらし、信号測定感度や信号対雑音比（SNR）に影響を及ぼします。そのため、安定した干渉アーム長ロック機構の実現は、FTUS技術の進歩に不可欠です。

現在のアプローチは、FTUS励起レーザーと同軸に伝搬する参照レーザーを利用することに焦点を当てています。参照レーザーの干渉縞ジッターを注意深くモニターし、ロックすることで、研究者は望ましい干渉アーム長の安定性を得ることができます。しかし、干渉計のアーム長を安定させるのに役立っている一方で、参照レーザーを試料の励起に利用できないという事実が大きな課題となっています。回避策として、励起レーザーと大きく異なる波長の参照レーザーを実験に用いるのが一般的です。とはいえ、この回避策には重大な欠点があります。励起レーザーと比較して、参照レーザーでは位相ジッターに大きな差が生じるのです。この相違は、FTUS技術指標の向上とその広範な応用を大きく制約するものであり、研究者は、複雑な実験や実世界の応用において最適な結果を得るために、手法の革新と改良を急ぐ必要があります。

この問題に取り組むために、同アカデミーの精密計測科学技術イノベーションアカデミーの研究者であるユ教授と彼のチームは、 マルチインストゥルメントモード Moku:Pro 用の超安定リファレンスレーザーと組み合わせたロックインアンプを採用し、リアルタイム干渉位相測定を復調し、Moku Cloud Compile を使用してカスタムアルゴリズムを実装しました。これは、すべての Moku 製品で利用可能な機能で、ユーザーはデバイス内の FPGA にアクセスしてカスタム機能を有効にすることができます。Moku Cloud Compile を使用すると、ユーザーは Web ブラウザーを使用して必要なコードを作成し、クラウドでコンパイルし、アプリで 1 つ以上の Moku デバイスにビットストリームを展開するだけです。完全な柔軟性を実現するために、ユーザーは HDL でコードを記述し、当社の 例、または Simulink や MATLAB、HDL Coder などの互換性のあるツールと連携します。

この柔軟性により、Yu教授はリアルタイムで位相を変換することができ、どの波長でも正確な位相決定が可能になり、シームレスなデータ取得と記録が容易になりました。このソリューションは、レーザー波長の顕著な違いによって誘発される位相ジッターの課題を軽減することに成功し、最終的に、高感度、高分解能、高効率のFTUS技術の進歩を可能にしました。

驚くべきことに、この合理化されたプロセスにはMoku:Proユニット1台し​​か必要ありません。これは、デバイスの多用途なマルチインストゥルメントモード機能をフル活用し、位相測定、位相変換、包括的なデータ取得といった側面を網羅しているためです。この測定方法の開発は、FTUS技術の継続的な改良における重要なマイルストーンであり、その潜在的な応用範囲を大幅に拡大しました。その影響は物理学、化学、生物学、天文学の研究を含む多様な科学分野に及び、計り知れない価値と、さらなるブレークスルーへの期待が高まっています。

図1と図2は、マルチインストゥルメントモードとロックインアンプ構成のセットアップを示しています。このシステムでは、ロックインアンプとMoku Cloud Compileが連携して位相変換を行います。その後、スロット3のXNUMXつ目のロックインアンプが、変換された位相信号を用いて入力信号を復調します。得られた復調データは、 データロガー スロット 4 で処理します。この研究により、FTUS の分野を前進させる新しいアルゴリズムが生まれ、Moku Cloud Compile で実装されました。

図 3 に示す復調データに対して高速フーリエ変換 (FFT) を実行した後、チームは高い SNR で正確なスペクトルを取得することに成功しました (図 4 を参照)。この高精度のスペクトルは、分析対象の粒子の物理的特性を表します。

図 3: ロックインアンプの組み込みデータロガーを使用してキャプチャされた復調結果。

図４において、青い線はターゲット波長から７４nm離れた波長７００nmのレーザーを用いて取得したデータに対応します。一方、赤い線は８００nmの波長のレーザーを用いて復調したデータです。注目すべき点は、赤線は青線に比べてSNRが向上していることです。この改善は、赤線のレーザーの波長がターゲット波長に４８nm近いため、最終結果の位相の乱れが少ないことに起因しています。

Moku:Pro によって可能になる位相変換機能を利用することで、研究者は復調信号の波長を微調整して、ターゲットの波長に厳密に合わせることができます。その結果、SNR がさらに強化され、微弱な信号の検出と高ノイズ環境での動作に大きな利点がもたらされます。これは、FTUS分野を前進させる Moku:Pro の能力と可能性を強調するものです。

図 4: 高速フーリエ変換 (FFT) 後のスペクトル結果。

Yu 教授は、チームの研究成果を振り返り、Moku:Pro の性能と柔軟性を賞賛しました。

「Moku:Proは、ロックインアンプなどの強力なソフトウェア定義計測器を提供するだけでなく、マルチ計測器モードとMokuクラウドコンパイルによって、これまでにない柔軟性を実現しています」と彼は述べた。「この2つを組み合わせることで、これまで非常に困難だった実験を完了することができました。」

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