Izdelava laserskega stabilizacijskega sistema je včasih pomenila zavarovanje obsežnega, dragega analognega zaklepa-v ojačevalniku. Čeprav so ti sistemi učinkoviti, so lahko omejeni glede prilagodljivosti, zakasnitve in integracije v primerjavi s sodobnimi digitalnimi pristopi. Digitalne naprave, ki uporabljajo digitalno obdelavo signalov, prekašajo svoje predhodnike, kar-so pokazale študije primerov iz resničnega sveta. Ali je laserska stabilizacija digitalna prihodnost?
Laserska stabilizacija je nujna. V mnogih nastavitvah laserske stabilizacije je signal, ki predstavlja odstopanje frekvence, izjemno šibek in pogosto zakrit s šumom ozadja. Okoljske motnje in hrup detektorja lahko zlahka prevladajo nad merjenjem, zaradi česar je zanesljivo izločanje signala napake zahtevno.
Kljub videzu laserji ne proizvajajo popolnoma čiste barve in konstantne moči. Ker so občutljivi na okolje, lahko majhni premiki v temperaturi, vibracijah, tlaku ali napajanju povzročijo nihanje frekvence laserja in nihanje moči. Tudi manjše spremembe imajo pomembne posledice v laboratorijskih in izobraževalnih okoljih.
Za visoko{0}}natančne aplikacije, kot je spektroskopija visoke-ločljivosti, je ta nestabilnost nesprejemljiva. Posamezniki morajo uporabljati laserske stabilizacijske sisteme za aktivno popravljanje nihanj in zaklepanje laserskega izhoda na zelo stabilno zunanjo referenco.
Splošna metoda za stabilizacijo laserja je povratna zanka. Vzorec svetlobe se odcepi in pošlje na stabilno referenco, detektor pa meri frekvenco laserja v primerjavi s stabilno referenco. Signal napake nič pomeni, da je laser zaklenjen na referenčno stanje, odstopanja nad ali pod ničlo pa kažejo na frekvenčni premik.
Signali napak so pogosto neverjetno šibki, ker se skrivajo v šumu ozadja. Tradicionalni način za pridobivanje je z analogno ključavnico-v ojačevalniku-fizični škatli, posebej nastavljeni za iskanje signala na določeni frekvenci.
Težave z analognim zaklepanjem-v ojačevalnikih
V preteklosti je ustvarjanje laserskega stabilizacijskega sistema pomenilo nakup-samostojne analogne ključavnice-v ojačevalniku, ki mora biti fizično povezan z detektorji in drugimi elektronskimi moduli. Bilo je učinkovito, a neprilagodljivo. Strokovnjaki so morali spremeniti ali zamenjati strojno opremo, da so spremenili frekvenco modulacije.
Analogni zaklep-v ojačevalnikih so že desetletja temelj občutljivih meritev, saj lahko izločijo šibke signale iz izjemno hrupnih okolij, kjer je pridobivanje natančnih podatkov nujno. Učinkovito so služili svojemu namenu, vendar se trudijo izpolniti razvijajoča se pričakovanja glede uspešnosti. Uporabniki ne morejo preprosto spremeniti osnovnih funkcij in nastavitev naprave-vključno z razponom delovne frekvence, vrstami filtrov in časovnimi konstantami.
Digitalni zaklep-v ojačevalnikih digitalizira vhodne signale prek algoritmov za digitalno obdelavo signalov za natančno filtriranje in večfrekvenčno demodulacijo-brez odmika komponent. Zasnovani so za visoko{3}}zmogljive vzporedne-matematične operacije v realnem času.
Digitalna izvedba posnema celotno funkcijo analogne ključavnice-in box v kodi na digitalni napravi. Filtrira in obdeluje števila, da v realnem času izloči signal napake, digitalno-v-analogni pretvornik pa nato ustvari napetost, potrebno za popravek laserja. Ta pristop lahko preseže analogne izvedbe v zmogljivosti in funkcionalnosti, zlasti v aplikacijah, ki zahtevajo prilagodljivost in integracijo.
Osnove digitalne obdelave signalov
Sodoben pristop je digitalizacija ključavnice-v osnovnih funkcijah ojačevalnika. Visok{2}}hitro-analogno-digitalni pretvornik (ADC) pretvori šumni analogni signal iz detektorja v tok digitalnih podatkov. Digitalna obdelava signalov izvaja matematične operacije na teh informacijah. Izhod je filtriran in obdelan za ekstrahiranje signala napake v realnem času.
Pretvorba signalov v podatke.ADC pretvori zvezni analogni vhodni signal v diskretno serijo števil. Vzorčenje vhodne napetosti z visoko, fiksno hitrostjo ustvari podatkovni tok, ki se približa izvirni valovni obliki. Cilj je primerjati vhodni signal z referenčnim, običajno s sinusnim signalom.
Za to sistem razdeli vhodni signal. Oba sta pomnožena ločeno z referenco in 90-stopinjsko-fazno zamaknjeno kopijo. Za razliko od analognih instrumentov digitalna tehnologija odpravlja izgube razmerja-in-šumom pri delitvi signala. Ti signali gredo nato skozi enake digitalne nizkopasovne filtre za odstranjevanje šuma in povprečenje podatkov.
Izhod procesa demodulacije sta dve stabilni vrednosti enosmernega toka. Če jih želite očistiti, uporabite digitalne filtre, kot je glavnik kaskadnega integratorja (CIC) ali končni impulzni odziv (FIR), ki naj bi zadušil visoko-frekvenčne signale in ustvaril enosmerni signal (DC) brez šuma.
Signali za čiščenje.CIC je priljubljen, ker ne zahteva shranjevanja koeficienta filtra ali množenja. Zanaša se na najpreprostejše izračune-za izvedbo teh filtrov potrebujete samo odštevanje in seštevanje. Dosežete lahko tudi nizko{3}}prepustno filtriranje z bistveno manjšo računsko kompleksnostjo kot s FIR.
Čeprav je FIR še vedno uporaben, zahteva izjemno nizko-izklopno frekvenco, kar povzroči zapletene operacije, veliko porabo virov in večjo zakasnitev. Če imate raje FIR, lahko optimizirate z dvojnimi filtri, ki si delijo eno tabelo koeficientov. Ta metoda zagotavlja vrhunsko zmogljivost, nizko računsko kompleksnost in nizko porabo virov.
Minimalne zamude.Po mešanju je lahko signal še vedno šumen. Za čiščenje mora zaklepanje-povprečiti signal. Povprečenje je pogost vir zamud, ker se po naravi ne more spremeniti takoj in ga je treba meriti skozi čas.
Če izračunate povprečje zelo kratkega časovnega intervala, se bo izhod zelo hitro odzval na spremembe, vendar ne boste filtrirali veliko šuma. V nasprotju s tem bo povprečenje v daljšem obdobju učinkovito odpravilo šum in dalo čist in stabilen rezultat, vendar bo trajalo dolgo časa, da se odzove, ko se dejanski signal spremeni.
Nastavite časovno konstanto-ki meri, kako hitro se sistem odziva na vnos-na zelo kratko vrednost. Čeprav je vaš izhod lahko šumen, se bo skoraj v trenutku odzval na vse spremembe. Ko postopoma povečujete časovno konstanto, bo izhod začel zaostajati. Za najkrajši možni čas povprečenja se ustavite, ko je signal dovolj stabilen za zanesljivo merjenje.
Prednosti digitalne implementacije
Z digitalno zaklenjenimi-ojačevalniki lahko laboratorijski strokovnjaki spremenijo parametre-kot so nastavitve filtra, frekvenca modulacije in ojačanje-s preprostim urejanjem vrstice kode. Nobene strojne opreme se ni treba dotikati. Digitalni nadzor omogoča kompleksnejše, prilagodljive stabilizacijske tehnike, ki jih je težko ali nemogoče izvesti z analognimi komponentami.
Poleg tega, da je bolj intuitiven, je ta sistem običajno cenovno ugodnejši. Ena sama programabilna naprava bo precej cenejša od več specializiranih elektronskih omaric z analognimi komponentami. V resničnih-nastavitvah so laserski stabilizacijski sistemi z digitalno obdelavo signalov učinkoviti, zmogljivi in stroškovno-učinkoviti.
Mikroskop z vrstično sondo (SPM) na primer zagotavlja zemljevide topologije površin v mikro- in nanometru. Običajno je postavitev točke skeniranja definirana znotraj pravokotnih rastrskih vzorcev topografije. Tveganje te strategije je, da lahko dragocene podatke zamudite zaradi nezadostne gostote skeniranja. Prav tako je lahko sistem preobremenjen s podatki, ko bi zadostovala nižja ločljivost.
Krmilnik, ki podpira prilagodljivo skeniranje, omogoča učinkovitejše pridobivanje podatkov. Ena študija primera je pokazala, da lahko celo poceni-procesor digitalnih signalov doseže primerljivo zmogljivost z--najsodobnejšimi-komercialnimi mikroskopi, ki omogočajo 16-, 18- in 20-bitno delovanje. Ta poskus je pokazal potencial uporabe prilagodljivih, že pripravljenih komponent za ustvarjanje močnih instrumentov.
Večja bitna globina pomeni, da lahko krmilnik meri veliko manjše višinske razlike. Slikanje na nanometrskem merilu zahteva izjemno natančnost za zaznavanje drobnih funkcij, sistem po meri pa se uporablja kot dodatek-na ploščah za povečanje izvorne 14-bitne ločljivosti na 18- in 20-bitno za natančnejši nadzor in merjenje.
Prototipi laserskega stabilizacijskega sistema
Ojačevalniki z digitalnim zaklepom-so zaradi frekvenčne sinteze in fazno-občutljivega zaznavanja bistveno natančnejši od svojih analognih primerkov (glej sliko. 1). Digitalne implementacije ponujajo večjo prilagodljivost in razširljivost kljub dodatni kompleksnosti implementacije. Pri načrtovanju analognih naprav je nekatere napake težko omiliti zaradi omejitev analogne elektronike.
Ne glede na to, ali raziskovalci kvantne optike uporabljajo digitalno obdelavo signalov za ustvarjanje zapletenih povratnih omrežij ali univerzitetni laboratoriji učijo študente načel laserske fizike, so ti laserski stabilizacijski sistemi očitno boljši od svojih analognih analogov.
Za izgradnjo učinkovitega sistema bi se morali posamezniki odmakniti od neurejene, zastarele strojne opreme k pametni, prilagodljivi programski opremi. Pri izdelavi prototipov morajo časovno konstanto filtra nastaviti čim krajše, da uravnotežijo reakcijski čas in stabilnost signala napake. Stabilizacijska povratna zanka mora biti hitrejša od zanašanja laserja.
Dobro zaklepanje-meritve temelji na optimalnem referenčnem signalu. Pri uporabi zunanje reference morajo zagotoviti, da je frekvenca dobro definirana in brez faznega šuma. Po vnaprejšnji izvedbi nekaterih ukrepov za zagotavljanje kakovosti bo njihov sistem opravil veliko dela. Če so potrebne prilagoditve, je to tako enostavno kot sprememba vrstice kode.
Premik k digitalnim izvedbam
Stabilizacija laserja zahteva zaznavanje zelo šibkega signala napake zaradi precejšnjega šuma. Zaklepanje-ojačevalnika je odlično pri izločanju, vendar niso vsi enaki. Digitalna, programsko-definirana platforma nadomešča zajetno, drago strojno opremo ter omogoča hitrejše, cenejše in prožnejše izdelovanje prototipov in implementacijo (glej sliko. 2).
V prizadevanju za natančnost je nekoč-prevladujoči analogni ojačevalnik-in zastarel. Čeprav je še vedno uporaben, je njegova sodobna različica očitno boljša. Ne glede na to, ali še vedno uporabljate analogno zaklepanje-v ojačevalnikih iz sedemdesetih let prejšnjega stoletja ali delate na svojem prvem projektu digitalne obdelave signala, lahko preprosto upravičite nadgradnjo.
