Изградња система за ласерску стабилизацију је некада значила обезбеђивање гломазног, скупог аналогног закључавања-у појачалу. Иако су ефикасни, ови системи могу бити ограничени у флексибилности, кашњењу и интеграцији у поређењу са модерним дигиталним приступима. Дигитални уређаји који користе дигиталну обраду сигнала надмашују своје претходнике, што су показале студије случаја из стварног{3}}света. Да ли је будућност ласерске стабилизације дигитална?
Ласерска стабилизација је неопходна. У многим поставкама ласерске стабилизације, сигнал који представља девијацију фреквенције је изузетно слаб и често затрпан позадинском буком. Поремећаји околине и шум детектора могу лако да доминирају мерењем, чинећи поуздано издвајање сигнала грешке изазовним.
Упркос изгледу, ласери не производе савршено чисту боју и константну снагу. Пошто су осетљиви на своје окружење, мале промене у температури, вибрацијама, притиску или напајању могу проузроковати померање фреквенције ласера и флуктуације снаге. Чак и мање промене имају значајне последице у лабораторијским и образовним окружењима.
За апликације високе{0}}прецизности, као што је спектроскопија високе{1}}резолуције, ова нестабилност је неприхватљива. Појединци морају да користе системе ласерске стабилизације да активно исправљају флуктуације и закључавају излаз ласера на високо стабилну спољну референцу.
Општи метод за стабилизацију ласера је повратна спрега. Узорак светлости се одваја и шаље на стабилну референцу, а детектор мери фреквенцију ласера у поређењу са стабилном референцом. Сигнал грешке од нуле указује на то да је ласер закључан у референтном стању, док одступања изнад или испод нуле указују на одступање фреквенције.
Сигнали грешке су често невероватно слаби јер бивају затрпани унутар позадинске буке. Традиционални начин за његово издвајање је помоћу аналогног закључавања-у појачалу-физичке кутије која је посебно подешена да тражи сигнал на одређеној фреквенцији.
Проблеми са аналогним закључавањем-у појачавачима
У прошлости је стварање система за ласерску стабилизацију значило куповину самосталне-самосталне аналогне браве-у појачалу која мора бити физички повезана са детекторима и другим електронским модулима. Било је ефикасно, али нефлексибилно. Професионалци су морали да модификују или замене хардвер да би променили фреквенцију модулације.
Аналогно закључавање-у појачавачима је деценијама основа за осетљива мерења, јер могу да извуку слабе сигнале из изузетно бучних окружења, где је прецизно проналажење података императив. Они су ефикасно служили својој сврси, али се труде да испуне очекивања у погледу перформанси. Корисници не могу лако да промене основне функције и подешавања уређаја-укључујући опсег радне фреквенције, типове филтера и временске константе.
Дигитално закључавање-у појачавачима дигитализује улазне сигнале помоћу алгоритама за дигиталну обраду сигнала за прецизно филтрирање и вишефреквентну демодулацију-без померања компоненти. Дизајнирани су за високе{3}}перформансе, у реалном-времену, паралелне математичке операције.
Дигитална имплементација реплицира целу функцију аналогног закључавања-у кутији у коду на дигиталном уређају. Филтрира и обрађује бројеве да би издвојио сигнал грешке у реалном времену, а дигитално-у-аналогни претварач затим креира напон потребан за корекцију ласера. Овај приступ може надмашити аналогне имплементације у перформансама и функционалности, посебно у апликацијама које захтевају флексибилност и интеграцију.
Основи дигиталне обраде сигнала
Савремени приступ је да се дигитализује закључавање-у основним функцијама појачала. -Брзи аналогни-у-дигитални претварач (АДЦ) претвара бучни аналогни сигнал са детектора у ток дигиталних података. Дигитална обрада сигнала врши математичке операције над овим информацијама. Излаз се филтрира и обрађује за издвајање сигнала грешке у реалном времену.
Претварање сигнала у податке.АДЦ конвертује континуирани аналогни улазни сигнал у дискретну серију бројева. Узорковање улазног напона при високој, фиксној брзини производи ток података који је приближан оригиналном таласном облику. Циљ је да се упореди улазни сигнал са референтним, обично синусним таласом.
Да би то урадио, систем дели улазни сигнал. Оба се множе одвојено са референцом и копијом помереном за 90-фазе-. За разлику од аналогних инструмената, дигитална технологија елиминише губитке у односу-од-односа сигнала при подели сигнала. Ови сигнали затим пролазе кроз идентичне дигиталне нископропусне филтере за уклањање шума и усредњавање података.
Излаз процеса демодулације су две стабилне вредности једносмерне струје. Да бисте их очистили, користите дигиталне филтере као што је каскадни интеграторски чешаљ (ЦИЦ) или коначни импулсни одзив (ФИР), који би требало да потисну високо{1}}сигнале високе фреквенције и дају сигнал једносмерне струје (ДЦ) без шума.
Сигнали за чишћење.ЦИЦ је популаран јер не захтева складиштење коефицијената филтера или множења. Ослања се на најједноставнија израчунавања-потребна су вам само одузимање и сабирање да бисте применили ове филтере. Такође можете постићи ниско-филтрирање пролаза са знатно нижом сложеношћу рачунара него са ФИР.
Иако ФИР још увек има користи, захтева изузетно ниску{0}}учесталост прекида, што резултира сложеним операцијама, значајном потрошњом ресурса и већим кашњењем. Ако више волите ФИР, можете да оптимизујете са двоструким филтерима који деле једну табелу коефицијената. Овај метод пружа супериорне перформансе, ниску сложеност рачунара и ниско коришћење ресурса.
Минимална кашњења.Након мешања, сигнал може и даље бити бучан. Да би се то очистило, закључавање-мора да усредсреди сигнал. Усредњавање је уобичајен извор кашњења јер се по природи не може променити тренутно и мора се мерити током времена.
Ако у просеку одредите веома кратак временски интервал, излаз ће врло брзо реаговати на промене, али нећете филтрирати много шума. Насупрот томе, усредњавање током дугог периода ће ефикасно елиминисати шум и дати чист и стабилан резултат, али ће бити потребно много времена да се одговори када се стварни сигнал промени.
Подесите временску константу-која мери колико брзо систем реагује на унос-на веома кратку вредност. Иако ваш излаз може бити бучан, он ће реаговати скоро тренутно на све промене. Како постепено повећавате временску константу, излаз ће почети да заостаје. Да бисте добили најкраће могуће време усредњавања, зауставите се када је сигнал довољно стабилан за поуздано мерење.
Предности дигиталне имплементације
Са дигиталним закључавањем-у појачавачима, лабораторијски професионалци могу да мењају параметре-као што су подешавања филтера, фреквенција модулације и појачање-једноставним изменама линије кода. Нема потребе да додирујете било који хардвер. Дигитално управљање омогућава сложеније, прилагодљиве технике стабилизације које је тешко или немогуће имплементирати са аналогним компонентама.
Осим што је интуитивнији, овај систем је обично приступачнији. Један програмабилни уређај биће знатно јефтинији од више специјализованих електронских кутија са аналогним компонентама. У стварном-светском окружењу, системи ласерске стабилизације са дигиталном обрадом сигнала су ефикасни, моћни и исплативи-.
Микроскопија скенирајуће сонде (СПМ), на пример, обезбеђује микро- и наносмерне тополошке мапе површине. Обично је распоред тачке скенирања дефинисан у оквиру растерских образаца правоугаоне топографије. Ризик ове стратегије је да се вредни подаци могу пропустити због недовољне густине скенирања. Такође, систем може бити преоптерећен подацима када би нижа резолуција била довољна.
Контролер који подржава адаптивно скенирање чини прикупљање података ефикаснијим. Једна студија случаја је показала да чак и јефтин{1}}процесор дигиталног сигнала може да постигне упоредиве перформансе са-најсавременијим-комерцијалним микроскопима који омогућавају 16-, 18- и 20-битни рад. Овај експеримент је демонстрирао потенцијал коришћења флексибилних компоненти које су доступне за стварање моћних инструмената.
Већа дубина бита значи да контролер може да мери много мање висинске разлике. Снимање слика на наноразмери захтева екстремну прецизност да би се откриле ситне карактеристике, а прилагођени систем је користио додатке-на плочама да би се матична 14-битна резолуција повећала на 18- и 20-битну ради финије контроле и мерења.
Прототипови система ласерске стабилизације
Дигитално закључавање-у појачавачима је знатно прецизније од својих аналогних колега због синтезе фреквенције и детекције{1}}осетљиве фазе (погледајте Слику. 1). Дигиталне имплементације нуде већу флексибилност и скалабилност, упркос додатној сложености имплементације. Приликом пројектовања аналогних уређаја, неке грешке је тешко ублажити због ограничења аналогне електронике.
Било да истраживачи квантне оптике користе дигиталну обраду сигнала за креирање сложених мрежа повратних информација или универзитетске лабораторије уче студенте принципима ласерске физике, ови системи ласерске стабилизације су очигледно супериорнији од својих аналогних колега.
Да би изградили ефикасан систем, појединци би требало да се удаље од неуредног, застарелог хардвера ка паметном, флексибилном софтверу. Приликом израде прототипа, они морају да поставе временску константу филтера што је могуће краћу како би уравнотежили време реакције и стабилност сигнала грешке. Стабилизациона повратна спрега мора бити бржа од померања ласера.
Добро закључавање-у мерењу је засновано на оптималном референтном сигналу. Када користе екстерну референцу, они морају осигурати да је фреквенција добро дефинисана и без фазног шума. Након спровођења неких мера обезбеђења квалитета унапред, њихов систем ће се носити са великим делом посла. Ако су потребна подешавања, то је лако као промена линије кода.
Пређите на дигиталне имплементације
Стабилизација ласера захтева откривање веома слабог сигнала грешке кроз знатан шум. Закључавање-у појачавачу је одлично у његовом издвајању, али нису сви једнаки. Дигитална, софтверски-дефинисана платформа замењује гломазан, скуп хардвер и чини израду прототипа и имплементацију бржим, јефтинијим и флексибилнијим (погледајте слику. 2).
У потрази за прецизношћу, некада-преовлађујућа аналогна брава-у појачалу је сада застарела. Иако је још увек употребљив, његов савремени пандан је очигледно супериорнији. Без обзира да ли још увек користите аналогно закључавање-у појачавачима из 1970-их или радите на свом првом пројекту дигиталне обраде сигнала, лако можете оправдати надоградњу.
