ニーラジ・プラケシュ、大学院研究助手 コロラド大学ボルダー校と彼のチームは、新しいレーザー光源の開発と、光の定規のような役割を果たす等間隔の線で構成された光スペクトルである周波数コムの開発拡大に熱心に取り組んでいます。研究者らは、新しい対向伝搬全正常分散（CANDi）ファイバーレーザー[1]など、さまざまなアプリケーション向けに波長の大きく異なるレーザー光源の開発に何年も費やしてきました。CANDiは、ほぼ同一の周波数コムを反対方向にXNUMXつ生成できるシングルキャビティのデュアルコムレーザー光源で、不安定なタイミングジッターに対処するために必要な機器の量を大幅に削減できます。この発見は、イメージング、分光法、リモートセンシング、光検出および測距（LiDAR）など、さまざまなデュアルコムアプリケーションに役立ちます。
図1: 光学テーブル上のMoku:Lab
CANDiファイバーレーザーを実装するために、Neerajはソフトウェア定義の PIDコントローラー, 波形発生器, ロックインアンプ Moku:Lab によって有効化された計測器と、光スペクトル アナライザーなどの他のラボ機器を組み合わせて使用できます。Moku:Lab は、テストと測定のニーズに対応するソフトウェア定義の計測器のフル スペクトルを 1 つのデバイスで提供するため、Neeraj 氏と彼のチームは、複数のプロジェクトでこの多用途のソリューションを利用できます。
Moku:Lab Moku:Labは、FPGAのデジタル信号処理能力と、汎用性が高く低ノイズなアナログ入出力を組み合わせた、再構成可能なハードウェアプラットフォームです。ソフトウェア定義機能により、Moku:Labは14種類以上のテスト機器を提供できます。マルチ機器モード（MiM）を使用すると、複数の機器を組み合わせ、ロスレスな相互接続で同時に動作させることができます。
課題
周波数コムを生成する場合、レーザー パルス間のタイミングを一定に保つことが重要です。レーザー パルスのタイミングがわずかに変化すると、システムに問題のあるジッターやタイミング エラーが発生する可能性があります。LiDAR などのデュアル コム アプリケーションでは、レーザーは高解像度と高速性の両方を備え、ノイズがほとんどないかまったくない状態である必要があります。通常、これらの値の間にはトレードオフがあり、低解像度で高速性を実現するか、その逆になります。
Neeraj 氏と彼のチームは、システム ノイズに対抗する新しい方法として CANDi ファイバー レーザーを開発しました。この革新的な方法では、1 つのファイバー レーザーが反対方向に 2 つの周波数コムを生成します。タイミング エラーや周波数ドリフトがあっても、レーザーは互いに安定した状態を保ちます。この動的な方法により、システム内のタイミング エラーが大幅に減少し、追加の安定化電子機器の必要性も減りました。
CANDi を実装するために、Neeraj 氏と彼のチームは、基準信号を生成する波形ジェネレータと、周波数コムのパルスのタイミングをロックする PID コントローラを必要としました。当初はアナログ PID コントローラを使用していましたが、コントローラの周波数応答がわからないまま、パラメータを実験的に調整する必要がありました。
図2: PIDゲインプロファイル調整の周波数応答グラフ制御
信号分析を実行する際、Neeraj 氏は各実験を手動で実行し、データを記録し、それをエクスポートしてから、高速フーリエ変換 (FFT) を実行して周波数領域で結果を表示していました。この面倒なプロセスには貴重な時間がかかりました。チームは理想的なゲイン プロファイルを特定するまで、パラメーターを繰り返しテストする必要があったからです。しかし、Moku:Lab を使用すると、Neeraj 氏は周波数応答とグラフをリアルタイムで表示できるため、作業が大幅に加速します。
「Moku はリアルタイムの周波数領域分析を可能にしてくれます」と Neeraj 氏は言います。「これにより、多くの時間を節約できます。」
ソリューション
Moku:Labで、Neerajと彼のチームは、デュアルコムアプリケーションでフレームレートを向上させるインテリジェントな方法であるダイナミックCANDiを開発しました。この進化により、従来のレーザーソースで通常伴う高速性と解像度のトレードオフが解消されました。Moku:Labに切り替えることで、Neerajはソフトウェア定義の PIDコントローラー レーザー周波数を緩くロックし、ジッターを最小限に抑えます。アナログ電子機器を Moku:Lab に置き換えることで、チームはゲイン プロファイルを簡単に設定し、伝達関数の周波数応答を表示できます。これらはすべて Moku アプリで実行できます。この方法により、時間のかかる推測作業も排除されました。パラメータを調整および調整し、システム応答を確認し、信号の変化をリアルタイムで監視できるようになったためです。
研究者たちは、Moku:Lab ロックイン アンプが検討していた他のモデルよりもはるかに優れた帯域幅を備えていることに気付いてから、このデバイスを追加の実験にも導入しました。実際、Moku デバイスの汎用性の高さから、研究室のメンバーは自分の研究にこのデバイスを使用することが多くなっています。
「率直に言って、Moku:Lab は私たちの研究室で非常に需要があります」と Neeraj 氏は言います。「いつでもこれを使おうと争っています。私たちのグループでは非常に人気があります。」
さらに、すべてのMokuデバイスはマルチインストゥルメントモードを備えているため、チームはMoku:Labを使用してセットアップをさらに最適化できるようになりました。 波形発生器, PIDコントローラー, オシロスコープ, スペクトラムアナライザ今では、たった 1 つの機器で、チームは基準信号を作成し、ゲイン プロファイルを設定し、周波数応答をすべてリアルタイムで表示できます。
結果
Neeraj 氏は、実験の効率を高めると同時に、Moku:Lab が研究室の物理的なセットアップの最適化にも役立つことを発見しました。
「スペースを節約できます」と彼は言う。「こうした分析を行うために、複数のものを積み重ねる必要はありません。機器を切り替えるだけで済みます。」
Moku:Labは、動的CANDiレーザーに関する研究においてNeeraj氏を支援し続けます。今後、Neeraj氏はMoku:Lab PIDコントローラーを使用し続け、同僚は他のソフトウェア定義の機器、例えば レーザーロックボックス内蔵データロガーを使用してデータを SD カードに素早く記録できるため、結果を記録する際の時間と労力を節約できます。
チームは、カスタム FPGA プログラミングを含む、アプリケーション全体にわたる将来のプロジェクトで Moku:Lab を引き続き使用することを計画しています。 Mokuクラウドコンパイル ユーザーは、Mokuデバイス内のFPGAにビットストリームをコーディング、コンパイル、展開して、カスタム機能を有効にし、複雑な信号処理パイプラインを構築できます。 ChatGPT を使用してカスタム VHDL を記述するというアイデアに、チームの関心が高まりました。今後数年間、チームはこの機能をラボ内のさまざまなアプリケーションでテストし、Moku:Pro および Moku:Go デバイスを使用して幅広いテストを行う予定です。
ニーラジ氏とその同僚は、現在知られている最先端のレーザー光源のいくつかを進歩させるためにMoku:Labを利用しています。チームが最近開発した高エネルギーシングルキャビティデュアルコムダイナミックCANDiファイバーレーザーにより、多くの業界で、セキュリティ検査用のテラヘルツイメージングなど、劇的な改善が期待されています。コロラド大学ボルダー校の別の研究室では、医薬品や水質監視への応用を目的としたラマン分光法用のレーザーの実験を行っています。【2]詳しくは、 顕微鏡および分光法のアプリケーション.
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参考情報
[1] B. Li、N. Prakash、SW Huang、「自己始動型および低ノイズの逆伝播全正常分散（CANDi）ファイバーレーザー」、2022年レーザーおよび電気光学会議（CLEO）、サンノゼ、カリフォルニア州、米国、2022年、pp. 1-2。
[2] E.アダムス、「研究者が簡素化されたデュアルコム分光法の商業化で大きな進歩を遂げる」電気・コンピュータ・エネルギー工学、https://www.colorado.edu/ecee/2022/08/30/researchers-make-strides-commercializing-simplified-dual-comb-spectroscopy（24年2023月XNUMX日アクセス）。
