Membina sistem penstabilan laser yang digunakan bermaksud mengamankan kunci analog yang besar dan mahal-dalam penguat. Walaupun berkesan, sistem ini boleh dihadkan dalam fleksibiliti, kependaman dan penyepaduan berbanding dengan pendekatan digital moden. Peranti digital yang memanfaatkan pemprosesan isyarat digital mengatasi prestasi pendahulunya, yang telah ditunjukkan-kajian kes dunia sebenar. Adakah penstabilan laser digital masa depan?
Penstabilan laser adalah penting. Dalam banyak persediaan penstabilan laser, isyarat yang mewakili sisihan frekuensi adalah sangat lemah dan sering terkubur dalam bunyi latar belakang. Gangguan persekitaran dan bunyi pengesan boleh menguasai pengukuran dengan mudah, menjadikan pengekstrakan isyarat ralat yang boleh dipercayai mencabar.
Walaupun penampilan, laser tidak menghasilkan warna tulen yang sempurna dan kuasa berterusan. Memandangkan mereka sensitif kepada persekitaran mereka, perubahan kecil dalam suhu, getaran, tekanan atau bekalan kuasa boleh menyebabkan frekuensi laser hanyut dan kuasa berubah-ubah. Malah perubahan kecil mempunyai kesan ketara dalam persekitaran makmal dan pendidikan.
Untuk-aplikasi berketepatan tinggi, seperti spektroskopi-tinggi, ketidakstabilan ini tidak boleh diterima. Individu mesti menggunakan sistem penstabilan laser untuk membetulkan turun naik secara aktif dan mengunci output laser kepada rujukan luaran yang sangat stabil.
Kaedah umum untuk menstabilkan laser ialah gelung maklum balas. Sampel cahaya dipisahkan dan dihantar ke rujukan stabil, dan pengesan mengukur kekerapan laser berbanding rujukan stabil. Isyarat ralat sifar menunjukkan bahawa laser dikunci kepada keadaan rujukan, manakala sisihan di atas atau di bawah sifar menunjukkan hanyutan frekuensi.
Isyarat ralat selalunya sangat lemah kerana ia terkubur dalam bunyi latar belakang. Cara tradisional untuk mengekstraknya ialah dengan kunci analog-dalam penguat-kotak fizikal yang ditala khusus untuk mencari isyarat pada frekuensi tertentu.
Isu dengan kunci analog-dalam penguat
Pada masa lalu, mencipta sistem penstabilan laser bermakna membeli -kunci analog berdiri sendiri-dalam penguat yang mesti disambungkan secara fizikal kepada pengesan dan modul elektronik lain. Ia berkesan tetapi tidak fleksibel. Profesional terpaksa mengubah suai atau menggantikan perkakasan untuk menukar frekuensi modulasi.
Kunci analog-dalam penguat telah menjadi asas untuk pengukuran sensitif selama beberapa dekad, kerana ia boleh mengeluarkan isyarat samar dari persekitaran yang sangat bising, yang memerlukan pengambilan data yang tepat. Mereka memenuhi tujuan mereka dengan berkesan, tetapi berusaha keras untuk memenuhi jangkaan prestasi yang berkembang. Pengguna tidak boleh menukar fungsi dan tetapan teras peranti dengan mudah-termasuk julat frekuensi pengendalian, jenis penapis dan pemalar masa.
Kunci digital-dalam penguat mendigitalkan isyarat input melalui algoritma pemprosesan isyarat digital untuk penapisan yang tepat dan penyahmodulasi berbilang frekuensi-tanpa hanyut komponen. Ia direka untuk-prestasi tinggi, masa sebenar-operasi matematik selari.
Pelaksanaan digital mereplikasi keseluruhan fungsi kunci analog-dalam kotak dalam kod pada peranti digital. Ia menapis dan memproses nombor untuk mengekstrak isyarat ralat dalam masa nyata, dan penukar digital-ke-analog kemudian mencipta voltan yang diperlukan untuk membetulkan laser. Pendekatan ini boleh mengatasi pelaksanaan analog dalam prestasi dan kefungsian, terutamanya dalam aplikasi yang memerlukan fleksibiliti dan penyepaduan.
Asas pemprosesan isyarat digital
Pendekatan moden adalah untuk mendigitalkan kunci-dalam fungsi teras penguat. -analog berkelajuan tinggi-ke-penukar digital (ADC) menukar isyarat analog yang bising daripada pengesan kepada aliran data digital. Pemprosesan isyarat digital melaksanakan operasi matematik pada maklumat ini. Output ditapis dan diproses untuk mengekstrak isyarat ralat dalam masa nyata.
Mengubah isyarat menjadi data.ADC menukar isyarat input analog berterusan kepada siri nombor diskret. Persampelan voltan input pada kadar tetap yang tinggi menghasilkan aliran data yang menghampiri bentuk gelombang asal. Objektifnya adalah untuk membandingkan isyarat input kepada rujukan, biasanya gelombang sinus.
Untuk melakukan ini, sistem memisahkan isyarat input. Kedua-duanya didarab secara berasingan dengan rujukan dan salinan 90-fasa-darjah. Tidak seperti instrumen analog, teknologi digital menghapuskan kehilangan nisbah isyarat-ke-bunyi apabila membelah isyarat. Isyarat ini kemudiannya melalui penapis laluan rendah digital yang serupa untuk penyingkiran hingar dan purata data.
Keluaran proses penyahmodulasi ialah dua nilai arus terus yang stabil. Untuk membersihkannya, anda menggunakan penapis digital seperti sisir penyepadu bertingkat (CIC) atau tindak balas impuls terhingga (FIR), yang sepatutnya menindas-isyarat frekuensi tinggi dan menghasilkan isyarat arus terus (DC) tanpa hingar.
Isyarat pembersihan.CIC popular kerana ia tidak memerlukan penyimpanan atau pendaraban pekali penapis. Ia bergantung pada pengiraan yang paling mudah-anda hanya memerlukan penolakan dan penambahan untuk melaksanakan penapis ini. Anda juga boleh mencapai penapisan lulus -rendah dengan kerumitan pengiraan yang jauh lebih rendah berbanding dengan FIR.
Walaupun FIR masih mempunyai kegunaan, ia memerlukan kekerapan pemotongan-yang sangat rendah, yang menghasilkan operasi yang kompleks, penggunaan sumber yang banyak dan kependaman yang lebih tinggi. Jika anda lebih suka FIR, anda boleh mengoptimumkan dengan dua penapis yang berkongsi satu jadual pekali. Kaedah ini memberikan prestasi unggul, kerumitan pengiraan yang rendah dan penggunaan sumber yang rendah.
Kelewatan minima.Selepas bercampur, isyarat mungkin masih bising. Untuk membersihkannya, kunci-masuk mestilah purata isyarat. Purata adalah sumber kelewatan yang biasa kerana, secara semula jadi, ia tidak boleh berubah serta-merta dan mesti diukur dari semasa ke semasa.
Jika anda purata selang masa yang sangat singkat, output akan bertindak balas dengan cepat kepada perubahan, tetapi anda tidak akan menapis banyak bunyi. Sebaliknya, purata dalam tempoh yang lama akan menghapuskan hingar dengan berkesan dan menghasilkan hasil yang bersih dan stabil, tetapi ia akan mengambil masa yang lama untuk bertindak balas apabila isyarat sebenar berubah.
Tetapkan pemalar masa-yang mengukur seberapa pantas sistem bertindak balas kepada input-kepada nilai yang sangat singkat. Walaupun output anda mungkin bising, ia akan bertindak balas hampir serta-merta kepada sebarang perubahan. Apabila anda meningkatkan pemalar masa secara beransur-ansur, output akan mula ketinggalan. Untuk mendapatkan masa purata yang sesingkat mungkin, berhenti setelah isyarat cukup stabil untuk pengukuran yang boleh dipercayai.
Faedah pelaksanaan digital
Dengan kunci digital-dalam penguat, profesional makmal boleh menukar parameter-seperti tetapan penapis, kekerapan modulasi dan keuntungan-dengan hanya mengedit baris kod. Tidak perlu menyentuh sebarang perkakasan. Kawalan digital membolehkan teknik penstabilan adaptif yang lebih kompleks yang sukar atau mustahil untuk dilaksanakan dengan komponen analog.
Selain lebih intuitif, sistem ini biasanya lebih berpatutan. Satu peranti boleh atur cara akan jauh lebih murah daripada berbilang kotak elektronik khusus dengan komponen analog. Dalam tetapan dunia-sebenar, sistem penstabilan laser dengan pemprosesan isyarat digital adalah cekap, berkuasa dan kos-efektif.
Mengimbas mikroskopi probe (SPM), contohnya, menyediakan peta topologi permukaan mikro- dan skala nano. Biasanya, susun atur titik imbasan ditakrifkan dalam corak raster topografi segi empat tepat. Risiko strategi ini ialah data berharga mungkin terlepas disebabkan ketumpatan imbasan yang tidak mencukupi. Selain itu, sistem mungkin tertekan oleh data apabila resolusi yang lebih rendah sudah memadai.
Pengawal yang menyokong pengimbasan adaptif menjadikan pemerolehan data lebih cekap. Satu kajian kes menunjukkan bahawa walaupun-pemproses isyarat digital berkos rendah boleh mencapai prestasi yang setanding dengan-keadaan-mikroskop komersial seni untuk membolehkan operasi 16-, 18- dan 20-bit. Percubaan ini menunjukkan potensi menggunakan komponen yang fleksibel dan luar biasa untuk mencipta instrumen berkuasa.
Kedalaman bit yang lebih tinggi bermakna pengawal boleh mengukur perbezaan ketinggian yang lebih kecil. Pengimejan pada skala nano memerlukan ketepatan yang melampau untuk mengesan ciri-ciri kecil dan sistem tersuai digunakan -tambahan pada papan untuk meningkatkan resolusi 14-bit asli kepada 18- dan 20-bit untuk kawalan dan pengukuran yang lebih halus.
Prototaip sistem penstabilan laser
Kunci digital-dalam penguat adalah jauh lebih tepat daripada penguat analognya kerana sintesis frekuensi dan pengesanan sensitif-fasa (lihat Rajah. 1). Pelaksanaan digital menawarkan fleksibiliti dan skalabiliti yang lebih besar, walaupun kerumitan pelaksanaan ditambah. Apabila mereka bentuk peranti analog, beberapa ralat sukar dikurangkan kerana batasan elektronik analog.
Sama ada penyelidik optik kuantum menggunakan pemprosesan isyarat digital untuk mencipta rangkaian maklum balas yang kompleks atau makmal universiti mengajar pelajar prinsip fizik laser, sistem penstabilan laser ini jelas lebih unggul daripada rakan analog mereka.
Untuk membina sistem yang berkesan, individu harus beralih daripada perkakasan yang tidak kemas dan ketinggalan zaman ke arah perisian yang pintar dan fleksibel. Apabila membuat prototaip, mereka mesti menetapkan pemalar masa penapis sesingkat mungkin untuk mengimbangi masa tindak balas dan kestabilan isyarat ralat. Gelung maklum balas penstabilan mestilah lebih pantas daripada hanyutan laser.
Kunci yang baik-dalam pengukuran adalah berdasarkan isyarat rujukan yang optimum. Apabila menggunakan rujukan luaran, mereka mesti memastikan kekerapan ditakrifkan dengan baik dan bebas daripada hingar fasa. Selepas menjalankan beberapa langkah jaminan kualiti di hadapan, sistem mereka akan mengendalikan banyak kerja keras. Jika pelarasan diperlukan, ia semudah menukar baris kod.
Beralih ke arah pelaksanaan digital
Menstabilkan laser memerlukan pengesanan isyarat ralat yang sangat lemah melalui bunyi yang besar. Kunci-dalam penguat cemerlang dalam mengekstraknya, tetapi tidak semuanya dicipta sama. Platform digital, perisian-ditakrifkan menggantikan perkakasan yang besar dan mahal dan menjadikan prototaip dan pelaksanaan lebih pantas, lebih murah dan lebih fleksibel (lihat Rajah. 2).
Dalam usaha mencapai ketepatan, penguat-kunci analog-yang lazim dahulu kini sudah lapuk. Walaupun masih boleh digunakan, rakan sejawatannya yang moden jelas unggul. Sama ada anda masih menggunakan kunci analog-dalam penguat dari tahun 1970-an atau mengerjakan projek pemprosesan isyarat digital pertama anda, anda boleh mewajarkan peningkatan dengan mudah.
