Изграждането на система за лазерна стабилизация означаваше осигуряване на обемист, скъп аналогов заключващ-усилвател. Въпреки че са ефективни, тези системи могат да бъдат ограничени по отношение на гъвкавостта, забавянето и интеграцията в сравнение със съвременните цифрови подходи. Цифровите устройства, използващи цифрова обработка на сигнали, превъзхождат своите предшественици, което показват-практически казуси. Цифрово ли е бъдещето на лазерната стабилизация?
Лазерната стабилизация е от съществено значение. В много настройки за лазерна стабилизация сигналът, представляващ отклонението на честотата, е изключително слаб и често е заровен във фоновия шум. Смущенията в околната среда и шумът от детектора могат лесно да доминират в измерването, което прави надеждното извличане на сигнала за грешка предизвикателство.
Въпреки външния вид, лазерите не произвеждат идеално чист цвят и постоянна мощност. Тъй като те са чувствителни към околната среда, малки промени в температурата, вибрациите, налягането или захранването могат да доведат до отклонение на честотата на лазера и колебания в мощността. Дори незначителните промени имат значителни последици в лабораторни и образователни условия.
За високо{0}}прецизни приложения, като например спектроскопия с висока-разделителна способност, тази нестабилност е неприемлива. Индивидите трябва да използват системи за лазерна стабилизация, за да коригират активно флуктуациите и да заключат изхода на лазера към много стабилна външна референция.
Общият метод за стабилизиране на лазер е обратна връзка. Проба от светлина се отделя и изпраща към стабилен еталон, а детектор измерва честотата на лазера в сравнение със стабилния еталон. Сигнал за грешка от нула показва, че лазерът е заключен към референтното състояние, докато отклоненията над или под нулата показват дрейф на честотата.
Сигналите за грешка често са невероятно слаби, защото са заровени във фоновия шум. Традиционният начин за извличане е с аналогово заключване-в усилвател-физическа кутия, специално настроена да търси сигнал на определена честота.
Проблеми с аналогово заключване-в усилватели
В миналото създаването на система за лазерна стабилизация означаваше закупуването на самостоятелен-самостоятелен аналогов ключ-в усилвател, който трябва да бъде физически свързан към детектори и други електронни модули. Беше ефективен, но негъвкав. Професионалистите трябваше да модифицират или сменят хардуера, за да променят честотата на модулация.
Аналоговото заключване-в усилвателите е основа за чувствителни измервания от десетилетия, тъй като те могат да извличат слаби сигнали от изключително шумна среда, където точното извличане на данни е наложително. Те ефективно изпълниха целта си, но се стремят да отговорят на променящите се очаквания за ефективност. Потребителите не могат лесно да променят основните функции и настройки на устройството-включително работен честотен диапазон, типове филтри и времеви константи.
Цифровото заключване-в усилвателите дигитализира входните сигнали чрез алгоритми за цифрова обработка на сигнала за прецизно филтриране и многочестотна демодулация-без отклонение на компонентите. Те са проектирани за високо-производителни,-реално време, паралелни математически операции.
Цифровото внедряване възпроизвежда цялата функция на аналоговата заключваща кутия-в код на цифрово устройство. Той филтрира и обработва числа, за да извлече сигнала за грешка в реално време, а цифров-към-аналогов преобразувател след това създава напрежението, необходимо за коригиране на лазера. Този подход може да надмине аналоговите реализации по производителност и функционалност, особено в приложения, изискващи гъвкавост и интеграция.
Основи на цифровата обработка на сигнали
Модерният подход е да се дигитализира ключалката-в основните функции на усилвателя. Високоскоростен аналогов-в-цифров преобразувател (ADC) преобразува шумния аналогов сигнал от детектора в поток от цифрови данни. Цифровата обработка на сигнала извършва математически операции върху тази информация. Изходът се филтрира и обработва, за да се извлече сигналът за грешка в реално време.
Превръщане на сигнали в данни.ADC преобразува непрекъснат аналогов входен сигнал в дискретна серия от числа. Вземането на проби от входното напрежение при висока, фиксирана скорост произвежда поток от данни, който се доближава до оригиналната форма на вълната. Целта е да се сравни входният сигнал с референтен сигнал, обикновено синусоида.
За да направи това, системата разделя входния сигнал. И двете се умножават поотделно с еталонното и 90-градусово фазово-изместено копие. За разлика от аналоговите инструменти, цифровата технология елиминира загубите в съотношението сигнал-към-шум при разделяне на сигнала. След това тези сигнали преминават през идентични цифрови нискочестотни филтри за отстраняване на шума и осредняване на данните.
Резултатът от процеса на демодулация е две стабилни стойности на постоянен ток. За да ги почистите, използвате цифрови филтри като гребен с каскаден интегратор (CIC) или краен импулсен отговор (FIR), които трябва да потискат високо-честотните сигнали и да генерират постоянен (DC) сигнал без шум.
Сигнали за почистване.CIC е популярен, защото не изисква съхранение на филтърни коефициенти или умножения. Той разчита на най-простите изчисления-необходими са ви само изваждане и събиране, за да приложите тези филтри. Можете също да постигнете ниско{3}}филтриране със значително по-ниска изчислителна сложност, отколкото с FIR.
Въпреки че FIR все още има приложения, той изисква изключително ниска -честота на прекъсване, което води до сложни операции, значителна консумация на ресурси и по-голямо забавяне. Ако предпочитате FIR, можете да оптимизирате с двойни филтри, които споделят една таблица с коефициенти. Този метод осигурява превъзходна производителност, ниска изчислителна сложност и ниско използване на ресурсите.
Минимални закъснения.След смесването сигналът все още може да е с шум. За да го изчисти, заключването-трябва да осредни сигнала. Осредняването е често срещан източник на закъснения, тъй като по природа не може да се промени незабавно и трябва да се измерва във времето.
Ако осредните много кратък интервал от време, изходът ще реагира много бързо на промените, но няма да филтрирате много шум. За разлика от това, осредняването за дълъг период от време ефективно ще елиминира шума и ще даде чист и стабилен резултат, но ще отнеме много време, за да се реагира, когато реалният сигнал се промени.
Задайте времевата константа-която измерва колко бързо системата реагира на вход-на много кратка стойност. Въпреки че изходът ви може да е шумен, той ще реагира почти мигновено на всякакви промени. Докато постепенно увеличавате времевата константа, изходът ще започне да изостава. За да получите възможно най-краткото време за осредняване, спрете, когато сигналът е достатъчно стабилен за надеждно измерване.
Ползи от цифровото внедряване
С цифрово заключване-в усилвателите лабораторните специалисти могат да променят параметри-като настройки на филтъра, честота на модулация и усилване-чрез просто редактиране на ред от код. Няма нужда да докосвате хардуер. Цифровото управление позволява по-сложни, адаптивни техники за стабилизиране, които са трудни или невъзможни за прилагане с аналогови компоненти.
Освен че е по-интуитивна, тази система обикновено е и по-достъпна. Едно програмируемо устройство ще бъде значително по-евтино от множество специализирани електронни кутии с аналогови компоненти. В реални-настройки системите за лазерна стабилизация с цифрова обработка на сигнала са ефективни, мощни и-рентабилни.
Микроскопията със сканираща сонда (SPM) например осигурява микро- и наномащабни топологични карти на повърхността. Обикновено оформлението на точката на сканиране се дефинира в рамките на растерни модели с правоъгълна топография. Рискът от тази стратегия е, че ценни данни могат да бъдат пропуснати поради недостатъчна плътност на сканиране. Освен това системата може да бъде затрупана от данни, когато е достатъчна по-ниска разделителна способност.
Контролер, който поддържа адаптивно сканиране, прави събирането на данни по-ефективно. Един казус демонстрира, че дори евтин-цифров сигнален процесор може да постигне сравнима производителност с-на--технологичните търговски микроскопи, за да позволи 16-, 18- и 20-битова работа. Този експеримент демонстрира потенциала за използване на гъвкави, готови компоненти за създаване на мощни инструменти.
По-голямата битова дълбочина означава, че контролерът може да измерва много по-малки разлики във височината. Изобразяването в наномащаб изисква изключителна прецизност за откриване на малки характеристики и персонализирана система, използвана за добавяне-на платки, за увеличаване на естествената 14-битова разделителна способност до 18- и 20-битова за по-фин контрол и измерване.
Прототипи на система за лазерна стабилизация
Цифровите заключващи-усилватели са значително по-точни от аналоговите си колеги поради честотен синтез и фазово-чувствително откриване (вижте Фигура. 1). Цифровите реализации предлагат по-голяма гъвкавост и мащабируемост, въпреки допълнителната сложност на внедряването. При проектирането на аналогови устройства някои грешки са трудни за смекчаване поради ограниченията на аналоговата електроника.
Независимо дали изследователите на квантовата оптика използват цифрова обработка на сигнала за създаване на сложни мрежи за обратна връзка или университетски лаборатории учат студентите на принципите на лазерната физика, тези системи за лазерна стабилизация очевидно превъзхождат своите аналогови колеги.
За да изградят ефективна система, хората трябва да се отдалечат от разхвърляния, остарял хардуер към интелигентен, гъвкав софтуер. Когато създават прототипи, те трябва да настроят времеконстантата на филтъра възможно най-кратка, за да балансират времето за реакция и стабилността на сигнала за грешка. Стабилизиращата обратна връзка трябва да е по-бърза от дрейфа на лазера.
Доброто заключване-в измерването се основава на оптимален референтен сигнал. Когато използват външна референция, те трябва да гарантират, че честотата е добре дефинирана и без фазов шум. След провеждане на някои мерки за осигуряване на качеството отпред, тяхната система ще се справи с голяма част от работата. Ако са необходими корекции, това е толкова лесно, колкото промяната на ред код.
Преминаване към цифрови реализации
Стабилизирането на лазер изисква откриване на много слаб сигнал за грешка чрез значителен шум. Заключващият-усилвател превъзхожда извличането му, но не всички са еднакви. Дигитална, софтуерно-дефинирана платформа замества обемистия, скъп хардуер и прави прототипирането и внедряването по-бързи, по-евтини и по-гъвкави (вижте фигура. 2).
В стремежа към точност, някога-разпространеният аналогов усилвател с заключване-сега е остарял. Въпреки че все още може да се използва, съвременният му аналог е очевидно по-добър. Независимо дали все още използвате аналогово заключване-в усилватели от 70-те години на миналия век или работите върху първия си проект за цифрова обработка на сигнали, можете лесно да оправдаете надграждането.
