Lazer stabilizasyon sistemi oluşturmak, eskiden amplifikatörde büyük, pahalı bir analog kilidin-güvenlik altına alınması anlamına geliyordu. Etkili olmasına rağmen bu sistemler, modern dijital yaklaşımlarla karşılaştırıldığında esneklik, gecikme ve entegrasyon açısından sınırlı olabilir. Dijital sinyal işlemeden yararlanan dijital cihazlar, gerçek hayattaki-örnek olay incelemelerinin gösterdiği gibi öncekilerden daha iyi performans gösteriyor. Lazer stabilizasyonun geleceği dijital mi?
Lazer stabilizasyonu önemlidir. Birçok lazer stabilizasyon kurulumunda, frekans sapmasını temsil eden sinyal son derece zayıftır ve sıklıkla arka plan gürültüsüne gömülür. Çevresel rahatsızlıklar ve dedektör gürültüsü ölçüme kolayca hakim olabilir ve hata sinyalinin güvenilir bir şekilde çıkarılmasını zorlaştırabilir.
Görünüşe rağmen lazerler tamamen saf renk ve sürekli güç üretmezler. Çevrelerine duyarlı oldukları için sıcaklık, titreşim, basınç veya güç kaynağındaki küçük değişiklikler lazerin frekansının kaymasına ve gücünün dalgalanmasına neden olabilir. Küçük değişikliklerin bile laboratuvar ve eğitim ortamlarında önemli sonuçları vardır.
Yüksek-çözünürlüklü spektroskopi gibi yüksek-hassas uygulamalar için bu kararsızlık kabul edilemez. Bireyler, dalgalanmaları aktif olarak düzeltmek ve lazer çıkışını oldukça kararlı bir harici referansa kilitlemek için lazer stabilizasyon sistemlerini kullanmalıdır.
Bir lazeri stabilize etmenin genel yöntemi bir geri besleme döngüsüdür. Bir ışık örneği bölünerek kararlı bir referansa gönderilir ve bir detektör, lazerin frekansını kararlı referansla karşılaştırarak ölçer. Sıfır hata sinyali, lazerin referans durumuna kilitlendiğini gösterirken, sıfırın üzerindeki veya altındaki sapmalar frekans kaymasını gösterir.
Hata sinyalleri genellikle inanılmaz derecede zayıftır çünkü arka plandaki gürültünün içine gömülürler. Bunu çıkarmanın geleneksel yolu, belirli bir frekansta sinyal aramak üzere özel olarak ayarlanmış bir fiziksel kutudaki-amplifikatördeki analog kilidi- kullanmaktır.
Amplifikatörlerdeki-analog kilitle ilgili sorunlar
Geçmişte, bir lazer stabilizasyon sistemi oluşturmak, dedektörlere ve diğer elektronik modüllere fiziksel olarak bağlanması gereken amplifikatörde-bağımsız bir analog kilit-satın almak anlamına geliyordu. Etkiliydi ama esnek değildi. Profesyonellerin modülasyon frekansını değiştirmek için donanımı değiştirmesi veya değiştirmesi gerekiyordu.
Amplifikatörlerdeki analog kilit-on yıllardır hassas ölçümlerin temelini oluşturuyor çünkü amplifikatörler, doğru veri alımının zorunlu olduğu son derece gürültülü ortamlardan zayıf sinyalleri çıkarabiliyor. Etkili bir şekilde amaçlarına hizmet ettiler, ancak gelişen performans beklentilerini karşılamakta zorlanıyorlar. Kullanıcılar, çalışma frekansı aralığı, filtre türleri ve zaman sabitleri dahil olmak üzere cihazın temel işlevlerini ve ayarlarını-kolayca değiştiremez.
Amplifikatörlerdeki dijital kilit-bileşen kayması olmadan hassas filtreleme ve çoklu frekanslı demodülasyon için-dijital sinyal işleme algoritmaları yoluyla giriş sinyallerini dijitalleştirir. Yüksek-performanslı, gerçek-zamanlı, paralel matematik işlemleri için tasarlanmıştır.
Dijital uygulama, dijital bir cihazdaki analog kilitleme{0}}kodunun tüm işlevini kopyalar. Hata sinyalini gerçek zamanlı olarak çıkarmak için sayıları filtreler ve işler ve ardından bir dijital-analoga-dönüştürücü, lazeri düzeltmek için gereken voltajı oluşturur. Bu yaklaşım, özellikle esneklik ve entegrasyon gerektiren uygulamalarda, performans ve işlevsellik açısından analog uygulamaları geride bırakabilir.
Dijital sinyal işlemenin temelleri
Modern yaklaşım, amplifikatörün temel işlevlerindeki-kilitlemeyi dijitalleştirmektir. Yüksek-hızlı bir analog-dijital-dönüştürücü (ADC), dedektörden gelen gürültülü analog sinyali bir dijital veri akışına dönüştürür. Dijital sinyal işleme bu bilgi üzerinde matematiksel işlemler gerçekleştirir. Çıkış, hata sinyalini gerçek zamanlı olarak çıkarmak için filtrelenir ve işlenir.
Sinyalleri verilere dönüştürmek.ADC, sürekli bir analog giriş sinyalini ayrı bir sayı serisine dönüştürür. Giriş voltajının yüksek, sabit bir hızda örneklenmesi, orijinal dalga biçimine yaklaşan bir veri akışı üretir. Amaç, giriş sinyalini bir referansla, genellikle sinüs dalgasıyla karşılaştırmaktır.
Bunu yapmak için sistem giriş sinyalini böler. Her ikisi de referansla ve 90-derecelik faz-kaydırılmış kopyayla ayrı ayrı çarpılır. Analog cihazlardan farklı olarak dijital teknoloji, sinyali bölerken sinyal-gürültü- oranı kayıplarını ortadan kaldırır. Bu sinyaller daha sonra gürültünün giderilmesi ve veri ortalamasının alınması için aynı dijital düşük geçişli filtrelerden geçer.
Demodülasyon işleminin çıktısı iki kararlı doğru akım değeridir. Bunları temizlemek için, yüksek-frekans sinyallerini bastırması ve gürültüsüz bir doğru akım (DC) sinyali vermesi gereken kademeli entegratör tarağı (CIC) veya sonlu darbe yanıtı (FIR) gibi dijital filtreler kullanırsınız.
Temizleme sinyalleri.CIC popülerdir çünkü filtre katsayısı depolaması veya çarpımı gerektirmez. En basit hesaplamalara dayanır-bu filtreleri uygulamak için yalnızca çıkarma ve toplama işlemlerine ihtiyacınız vardır. Ayrıca FIR'a kıyasla çok daha düşük hesaplama karmaşıklığıyla düşük-geçişli filtreleme elde edebilirsiniz.
FIR'ın hala kullanım alanları olsa da son derece düşük bir kesme frekansı gerektirir; bu da karmaşık işlemlere, önemli miktarda kaynak tüketimine ve daha yüksek gecikmeye neden olur. FIR'ı tercih ederseniz, tek katsayı tablosunu paylaşan ikili filtrelerle optimizasyon yapabilirsiniz. Bu yöntem üstün performans, düşük hesaplama karmaşıklığı ve düşük kaynak kullanımı sağlar.
Minimum gecikmeler.Karıştırma sonrasında sinyal hala gürültülü olabilir. Bunu temizlemek için kilitlemenin-sinyalin ortalamasını alması gerekir. Ortalama alma yaygın bir gecikme kaynağıdır çünkü doğası gereği anında değişemez ve zaman içinde ölçülmesi gerekir.
Çok kısa bir zaman aralığının ortalamasını alırsanız, çıktı değişikliklere çok hızlı yanıt verir, ancak çok fazla gürültüyü filtrelemezsiniz. Buna karşılık, uzun bir süre boyunca ortalama alma, gürültüyü etkili bir şekilde ortadan kaldıracak ve temiz ve istikrarlı bir sonuç verecektir, ancak gerçek sinyal değiştiğinde yanıt vermek uzun zaman alacaktır.
Bir sistemin girişe ne kadar hızlı yanıt verdiğini ölçen-zaman sabitini- çok kısa bir değere ayarlayın. Çıktınız gürültülü olsa da, herhangi bir değişikliğe neredeyse anında yanıt verecektir. Zaman sabitini kademeli olarak artırdıkça çıktı gecikmeye başlayacaktır. Mümkün olan en kısa ortalama süresini elde etmek için, sinyal güvenilir ölçüm için yeterince kararlı hale geldiğinde durun.
Dijital uygulamanın faydaları
Amplifikatörlerdeki dijital kilitleme sayesinde laboratuvar profesyonelleri,-filtre ayarları, modülasyon frekansı ve kazanç gibi parametreleri- yalnızca bir kod satırını düzenleyerek değiştirebilirler. Herhangi bir donanıma dokunmanıza gerek yoktur. Dijital kontrol, analog bileşenlerle uygulanması zor veya imkansız olan daha karmaşık, uyarlanabilir stabilizasyon tekniklerini mümkün kılar.
Daha sezgisel olmasının ötesinde, bu sistem genellikle daha uygun maliyetlidir. Tek bir programlanabilir cihaz, analog bileşenlere sahip birden fazla özel elektronik kutudan çok daha ucuz olacaktır. Gerçek-dünya ortamlarında, dijital sinyal işleme özelliğine sahip lazer stabilizasyon sistemleri verimli, güçlü ve-uygun maliyetlidir.
Örneğin taramalı prob mikroskobu (SPM), mikro- ve nano ölçekli yüzey topolojisi haritaları sağlar. Genellikle tarama noktası düzeni dikdörtgen topoğrafya tarama desenleri içerisinde tanımlanır. Bu stratejinin riski, yetersiz tarama yoğunluğu nedeniyle değerli verilerin gözden kaçırılabilmesidir. Ayrıca, daha düşük bir çözünürlüğün yeterli olacağı durumlarda sistem veriler tarafından boğulabilir.
Uyarlanabilir taramayı destekleyen bir denetleyici, veri toplamayı daha verimli hale getirir. Bir örnek olay çalışması, düşük{{1}maliyetli bir dijital sinyal işlemcisinin bile, 16-, 18- ve 20 bit işlemi mümkün kılan son teknoloji{-ticari-mikroskoplarla karşılaştırılabilir bir performansa ulaşabileceğini gösterdi. Bu deney, güçlü enstrümanlar yaratmak için esnek, kullanıma hazır bileşenlerin kullanılmasının potansiyelini gösterdi.
Daha yüksek bir bit derinliği, denetleyicinin çok daha küçük yükseklik farklarını ölçebileceği anlamına gelir. Nano ölçekte görüntüleme, küçük özellikleri algılamak için son derece hassas bir işlem gerektirir ve daha hassas kontrol ve ölçüm amacıyla yerel 14 bit çözünürlüğü 18 ve 20 bit'e çıkarmak için eklenti kartlarda kullanılan özel bir sistem kullanılır.
Lazer stabilizasyon sistemi prototipleri
Amplifikatörlerdeki dijital -kilitleme, frekans sentezi ve faz-duyarlı algılama nedeniyle analog muadillerine göre önemli ölçüde daha doğrudur (bkz. Şekil. 1). Dijital uygulamalar, artan uygulama karmaşıklığına rağmen daha fazla esneklik ve ölçeklenebilirlik sunar. Analog cihazlar tasarlarken, analog elektroniklerin sınırlamaları nedeniyle bazı hataların azaltılması zordur.
Kuantum optik araştırmacıları ister karmaşık geri bildirim ağları oluşturmak için dijital sinyal işlemeyi kullansın, ister üniversite laboratuvarları öğrencilere lazer fiziğinin ilkelerini öğretsin, bu lazer stabilizasyon sistemleri analog benzerlerinden açıkça üstündür.
Etkili bir sistem oluşturmak için bireylerin dağınık, güncelliğini yitirmiş donanımlardan akıllı, esnek yazılımlara geçmeleri gerekir. Prototipleme sırasında, reaksiyon süresini ve hata sinyali stabilitesini dengelemek için filtrenin zaman sabitini mümkün olduğu kadar kısa ayarlamaları gerekir. Stabilizasyon geri besleme döngüsü lazerin sürüklenmesinden daha hızlı olmalıdır.
Ölçümde iyi bir-kilitlenme, optimum referans sinyaline dayanır. Harici bir referans kullanıldığında, frekansın iyi tanımlandığından ve faz gürültüsü içermediğinden emin olmaları gerekir. Bazı kalite güvence önlemlerini önceden uyguladıktan sonra, sistemleri gerekli çalışmaların çoğunu üstlenecektir. Ayarlamalar gerekiyorsa, bu bir kod satırını değiştirmek kadar kolaydır.
Dijital uygulamalara doğru geçiş
Bir lazerin stabilize edilmesi, önemli miktarda gürültü yoluyla çok zayıf bir hata sinyalinin tespit edilmesini gerektirir. Amplifikatördeki-kilit, onu çıkarma konusunda çok başarılıdır, ancak hepsi eşit yaratılmamıştır. Dijital, yazılım-tanımlı bir platform, hantal, pahalı donanımın yerini alır ve prototip oluşturmayı ve uygulamayı daha hızlı, daha ucuz ve daha esnek hale getirir (bkz. Şekil. 2).
Doğruluk arayışı içinde, amplifikatörde bir zamanlar-yaygın olan analog kilidin-artık geçerliliğini yitirmiştir. Halen kullanılabilir olmasına rağmen modern muadili açıkça üstündür. İster 1970'lerden kalma amplifikatörlerde hâlâ analog kilit-kullanıyor olun, ister ilk dijital sinyal işleme projeniz üzerinde çalışıyor olun, yükseltmeyi kolayca gerekçelendirebilirsiniz.
