Η κατασκευή ενός συστήματος σταθεροποίησης λέιζερ που χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει μια ογκώδη, ακριβή αναλογική κλειδαριά-στον ενισχυτή. Αν και είναι αποτελεσματικά, αυτά τα συστήματα μπορεί να είναι περιορισμένα σε ευελιξία, καθυστέρηση και ενοποίηση σε σύγκριση με τις σύγχρονες ψηφιακές προσεγγίσεις. Οι ψηφιακές συσκευές που αξιοποιούν την επεξεργασία ψηφιακού σήματος υπερτερούν των προκατόχων τους, κάτι που έχουν δείξει πραγματικές μελέτες περιπτώσεων στον κόσμο. Είναι το μέλλον της σταθεροποίησης λέιζερ ψηφιακό;
Η σταθεροποίηση με λέιζερ είναι απαραίτητη. Σε πολλές ρυθμίσεις σταθεροποίησης λέιζερ, το σήμα που αντιπροσωπεύει την απόκλιση συχνότητας είναι εξαιρετικά αδύναμο και συχνά θαμμένο στο θόρυβο του περιβάλλοντος. Οι περιβαλλοντικές διαταραχές και ο θόρυβος του ανιχνευτή μπορούν εύκολα να κυριαρχήσουν στη μέτρηση, καθιστώντας την αξιόπιστη εξαγωγή του σήματος σφάλματος δύσκολη.
Παρά την εμφάνιση, τα λέιζερ δεν παράγουν απόλυτα καθαρό χρώμα και σταθερή ισχύ. Δεδομένου ότι είναι ευαίσθητα στο περιβάλλον τους, μικροσκοπικές αλλαγές στη θερμοκρασία, τους κραδασμούς, την πίεση ή την παροχή ρεύματος μπορεί να προκαλέσουν μετατόπιση της συχνότητας του λέιζερ και διακύμανση της ισχύος. Ακόμη και μικρές αλλαγές έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε εργαστηριακά και εκπαιδευτικά περιβάλλοντα.
Για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας, όπως η φασματοσκοπία υψηλής Τα άτομα πρέπει να χρησιμοποιούν συστήματα σταθεροποίησης λέιζερ για να διορθώνουν ενεργά τις διακυμάνσεις και να κλειδώνουν την έξοδο του λέιζερ σε μια εξαιρετικά σταθερή εξωτερική αναφορά.
Η γενική μέθοδος για τη σταθεροποίηση ενός λέιζερ είναι ένας βρόχος ανάδρασης. Ένα δείγμα φωτός διαχωρίζεται και αποστέλλεται σε μια σταθερή αναφορά και ένας ανιχνευτής μετρά τη συχνότητα του λέιζερ σε σύγκριση με τη σταθερή αναφορά. Ένα σήμα σφάλματος μηδέν υποδηλώνει ότι το λέιζερ είναι κλειδωμένο στην κατάσταση αναφοράς, ενώ οι αποκλίσεις πάνω ή κάτω από το μηδέν υποδεικνύουν μετατόπιση συχνότητας.
Τα σήματα σφάλματος είναι συχνά απίστευτα αχνά επειδή θάβονται μέσα στο θόρυβο του περιβάλλοντος. Ο παραδοσιακός τρόπος για να το εξαγάγετε είναι με ένα αναλογικό κλείδωμα-στον ενισχυτή-ένα φυσικό κουτί ειδικά ρυθμισμένο για να αναζητά ένα σήμα σε μια καθορισμένη συχνότητα.
Ζητήματα με το αναλογικό κλείδωμα-σε ενισχυτές
Στο παρελθόν, η δημιουργία ενός συστήματος σταθεροποίησης λέιζερ σήμαινε την αγορά μιας ανεξάρτητης-αναλογικής κλειδαριάς-ενισχυτή που πρέπει να είναι φυσικά συνδεδεμένη με ανιχνευτές και άλλες ηλεκτρονικές μονάδες. Ήταν αποτελεσματικό αλλά άκαμπτο. Οι επαγγελματίες έπρεπε να τροποποιήσουν ή να αντικαταστήσουν το υλικό για να αλλάξουν τη συχνότητα διαμόρφωσης.
Το αναλογικό κλείδωμα-των ενισχυτών είναι θεμελιώδες για ευαίσθητες μετρήσεις εδώ και δεκαετίες, επειδή μπορούν να εξάγουν αμυδρά σήματα από εξαιρετικά θορυβώδη περιβάλλοντα, όπου η ακριβής ανάκτηση δεδομένων είναι επιτακτική. Εξυπηρέτησαν αποτελεσματικά τον σκοπό τους, αλλά προσπαθούν να ανταποκριθούν στις εξελισσόμενες προσδοκίες απόδοσης. Οι χρήστες δεν μπορούν εύκολα να αλλάξουν τις βασικές λειτουργίες και ρυθμίσεις της συσκευής-συμπεριλαμβανομένου του εύρους συχνοτήτων λειτουργίας, των τύπων φίλτρων και των σταθερών χρόνου.
Το ψηφιακό κλείδωμα-σε ενισχυτές ψηφιοποιεί τα σήματα εισόδου μέσω αλγορίθμων επεξεργασίας ψηφιακού σήματος για ακριβές φιλτράρισμα και αποδιαμόρφωση πολλαπλών συχνοτήτων-χωρίς μετατόπιση στοιχείων. Έχουν σχεδιαστεί για παράλληλες μαθηματικές πράξεις υψηλής-απόδοσης, πραγματικού-χρόνου.
Η ψηφιακή υλοποίηση αναπαράγει ολόκληρη τη λειτουργία του αναλογικού κλειδώματος-στο πλαίσιο σε κώδικα σε μια ψηφιακή συσκευή. Φιλτράρει και επεξεργάζεται αριθμούς για να εξαγάγει το σήμα σφάλματος σε πραγματικό χρόνο και ένας μετατροπέας από ψηφιακό-σε-αναλογικό στη συνέχεια δημιουργεί την τάση που απαιτείται για τη διόρθωση του λέιζερ. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να ξεπεράσει τις αναλογικές υλοποιήσεις σε απόδοση και λειτουργικότητα, ιδιαίτερα σε εφαρμογές που απαιτούν ευελιξία και ενοποίηση.
Βασικές αρχές επεξεργασίας ψηφιακού σήματος
Η σύγχρονη προσέγγιση είναι η ψηφιοποίηση της κλειδαριάς- στις βασικές λειτουργίες του ενισχυτή. Ένας-αναλογικός-σε{4}}μετατροπέας υψηλής ταχύτητας (ADC) μετατρέπει το θορυβώδες αναλογικό σήμα από τον ανιχνευτή σε ροή ψηφιακών δεδομένων. Η ψηφιακή επεξεργασία σήματος εκτελεί μαθηματικές πράξεις σε αυτές τις πληροφορίες. Η έξοδος φιλτράρεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία για την εξαγωγή του σήματος σφάλματος σε πραγματικό χρόνο.
Μετατροπή σημάτων σε δεδομένα.Το ADC μετατρέπει ένα συνεχές αναλογικό σήμα εισόδου σε μια διακριτή σειρά αριθμών. Η δειγματοληψία της τάσης εισόδου σε υψηλό, σταθερό ρυθμό παράγει μια ροή δεδομένων που προσεγγίζει την αρχική κυματομορφή. Ο στόχος είναι να συγκρίνουμε το σήμα εισόδου με μια αναφορά, συνήθως ένα ημιτονοειδές κύμα.
Για να γίνει αυτό, το σύστημα χωρίζει το σήμα εισόδου. Και τα δύο πολλαπλασιάζονται χωριστά με την αναφορά και ένα αντίγραφο με μετατόπιση φάσης 90-μοιρών-. Σε αντίθεση με τα αναλογικά όργανα, η ψηφιακή τεχνολογία εξαλείφει τις απώλειες αναλογίας σήματος προς-θόρυβο κατά τον διαχωρισμό του σήματος. Αυτά τα σήματα περνούν στη συνέχεια μέσα από πανομοιότυπα ψηφιακά χαμηλοπερατά φίλτρα για αφαίρεση θορύβου και υπολογισμό του μέσου όρου δεδομένων.
Η έξοδος της διαδικασίας αποδιαμόρφωσης είναι δύο σταθερές τιμές συνεχούς ρεύματος. Για να τα καθαρίσετε, χρησιμοποιείτε ψηφιακά φίλτρα, όπως τη χτένα καταρράκτη ολοκληρωτή (CIC) ή την απόκριση πεπερασμένης ώθησης (FIR), τα οποία θα πρέπει να καταστέλλουν τα σήματα υψηλής{1}συχνότητας και να αποδίδουν ένα σήμα συνεχούς ρεύματος (DC) χωρίς θόρυβο.
Σήματα καθαρισμού.Το CIC είναι δημοφιλές επειδή δεν απαιτεί αποθήκευση συντελεστών φίλτρου ή πολλαπλασιασμούς. Βασίζεται στους απλούστερους υπολογισμούς-χρειάζεστε μόνο αφαίρεση και πρόσθεση για να εφαρμόσετε αυτά τα φίλτρα. Μπορείτε επίσης να επιτύχετε χαμηλοπερατό-φιλτράρισμα με σημαντικά χαμηλότερη υπολογιστική πολυπλοκότητα από ότι με ένα FIR.
Ενώ το FIR εξακολουθεί να έχει χρήσεις, απαιτεί μια εξαιρετικά χαμηλή-συχνότητα απενεργοποίησης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα περίπλοκες λειτουργίες, σημαντική κατανάλωση πόρων και υψηλότερο λανθάνοντα χρόνο. Εάν προτιμάτε το FIR, μπορείτε να κάνετε βελτιστοποίηση με διπλά φίλτρα που μοιράζονται έναν πίνακα συντελεστών. Αυτή η μέθοδος προσφέρει ανώτερη απόδοση, χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα και χαμηλή χρήση πόρων.
Ελάχιστες καθυστερήσεις.Μετά την ανάμειξη, το σήμα μπορεί να εξακολουθεί να είναι θορυβώδες. Για να το καθαρίσετε, το κλείδωμα-πρέπει να είναι μέσος όρος του σήματος. Ο μέσος όρος είναι μια κοινή πηγή καθυστερήσεων επειδή, από τη φύση του, δεν μπορεί να αλλάξει αμέσως και πρέπει να μετρηθεί με την πάροδο του χρόνου.
Εάν κάνετε μέσο όρο για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, η έξοδος θα ανταποκρίνεται πολύ γρήγορα στις αλλαγές, αλλά δεν θα φιλτράρετε πολύ θόρυβο. Αντίθετα, ο μέσος όρος για μεγάλο χρονικό διάστημα θα εξαλείψει αποτελεσματικά τον θόρυβο και θα δώσει ένα καθαρό και σταθερό αποτέλεσμα, αλλά θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να ανταποκριθεί όταν αλλάξει το πραγματικό σήμα.
Ορίστε τη σταθερά χρόνου-που μετρά πόσο γρήγορα ένα σύστημα ανταποκρίνεται στην είσοδο-σε μια πολύ μικρή τιμή. Ενώ η έξοδος σας μπορεί να είναι θορυβώδης, θα ανταποκρίνεται σχεδόν αμέσως σε οποιεσδήποτε αλλαγές. Καθώς αυξάνετε σταδιακά τη σταθερά χρόνου, η έξοδος θα αρχίσει να καθυστερεί. Για να έχετε τον συντομότερο δυνατό χρόνο υπολογισμού του μέσου όρου, σταματήστε όταν το σήμα είναι αρκετά σταθερό για αξιόπιστη μέτρηση.
Οφέλη από την ψηφιακή υλοποίηση
Με το ψηφιακό κλείδωμα-σε ενισχυτές, οι επαγγελματίες του εργαστηρίου μπορούν να αλλάξουν παραμέτρους-όπως τις ρυθμίσεις φίλτρου, τη συχνότητα διαμόρφωσης και το κέρδος-επεξεργάζοντας απλώς μια γραμμή κώδικα. Δεν χρειάζεται να αγγίξετε οποιοδήποτε υλικό. Ο ψηφιακός έλεγχος επιτρέπει πιο σύνθετες, προσαρμοστικές τεχνικές σταθεροποίησης που είναι δύσκολο ή αδύνατο να εφαρμοστούν με αναλογικά εξαρτήματα.
Πέρα από το ότι είναι πιο διαισθητικό, αυτό το σύστημα είναι συνήθως πιο προσιτό. Μια μεμονωμένη προγραμματιζόμενη συσκευή θα είναι πολύ φθηνότερη από πολλά εξειδικευμένα ηλεκτρονικά κουτιά με αναλογικά εξαρτήματα. Σε πραγματικές-ρυθμίσεις, τα συστήματα σταθεροποίησης λέιζερ με επεξεργασία ψηφιακού σήματος είναι αποτελεσματικά, ισχυρά και οικονομικά-οικονομικά.
Η μικροσκοπία ανιχνευτή σάρωσης (SPM), για παράδειγμα, παρέχει χάρτες τοπολογίας επιφανειών μικρο{0}} και νανοκλίμακας. Συνήθως, η διάταξη του σημείου σάρωσης ορίζεται σε ορθογώνια μοτίβα ράστερ τοπογραφίας. Ο κίνδυνος αυτής της στρατηγικής είναι να χαθούν πολύτιμα δεδομένα λόγω ανεπαρκούς πυκνότητας σάρωσης. Επίσης, το σύστημα μπορεί να κατακλυστεί από δεδομένα όταν αρκεί μια χαμηλότερη ανάλυση.
Ένας ελεγκτής που υποστηρίζει προσαρμοστική σάρωση κάνει την απόκτηση δεδομένων πιο αποτελεσματική. Μια μελέτη περίπτωσης έδειξε ότι ακόμη και ένας-επεξεργαστής ψηφιακού σήματος χαμηλού κόστους μπορεί να επιτύχει συγκρίσιμη απόδοση με-τα-τα-εμπορικά μικροσκόπια τελευταίας τεχνολογίας που επιτρέπουν τη λειτουργία 16-, 18- και 20 bit. Αυτό το πείραμα έδειξε τη δυνατότητα χρήσης ευέλικτων, εκτός ραφιών εξαρτημάτων για τη δημιουργία ισχυρών οργάνων.
Ένα μεγαλύτερο βάθος bit σημαίνει ότι ο ελεγκτής μπορεί να μετρήσει πολύ μικρότερες διαφορές ύψους. Η απεικόνιση σε νανοκλίμακα απαιτεί εξαιρετική ακρίβεια για τον εντοπισμό μικροσκοπικών χαρακτηριστικών και ένα προσαρμοσμένο σύστημα που χρησιμοποιείται για προσθήκη-σε πλακέτες για την αύξηση της εγγενούς ανάλυσης 14 bit σε 18 και 20 bit για καλύτερο έλεγχο και μέτρηση.
Πρωτότυπα συστήματος σταθεροποίησης λέιζερ
Το ψηφιακό κλείδωμα-σε ενισχυτές είναι σημαντικά πιο ακριβείς από τους αντίστοιχους αναλογικούς τους λόγω της σύνθεσης συχνότητας και της ανίχνευσης ευαισθησίας φάσης- (βλ. Εικ.. 1). Οι ψηφιακές υλοποιήσεις προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία και επεκτασιμότητα, παρά την πρόσθετη πολυπλοκότητα υλοποίησης. Κατά το σχεδιασμό αναλογικών συσκευών, ορισμένα σφάλματα είναι δύσκολο να μετριαστούν λόγω των περιορισμών των αναλογικών ηλεκτρονικών.
Είτε οι ερευνητές κβαντικής οπτικής χρησιμοποιούν επεξεργασία ψηφιακού σήματος για να δημιουργήσουν πολύπλοκα δίκτυα ανάδρασης είτε τα πανεπιστημιακά εργαστήρια διδάσκουν στους μαθητές τις αρχές της φυσικής λέιζερ, αυτά τα συστήματα σταθεροποίησης λέιζερ είναι σαφώς ανώτερα από τα αναλογικά τους.
Για να οικοδομήσουν ένα αποτελεσματικό σύστημα, τα άτομα θα πρέπει να απομακρυνθούν από το ακατάστατο, ξεπερασμένο υλικό προς έξυπνο, ευέλικτο λογισμικό. Κατά τη δημιουργία πρωτοτύπων, πρέπει να ρυθμίσουν τη χρονική σταθερά του φίλτρου όσο το δυνατόν συντομότερη για να εξισορροπηθεί ο χρόνος αντίδρασης και η σταθερότητα του σήματος σφάλματος. Ο βρόχος ανάδρασης σταθεροποίησης πρέπει να είναι ταχύτερος από τη μετατόπιση του λέιζερ.
Ένα καλό κλείδωμα-στη μέτρηση βασίζεται σε ένα βέλτιστο σήμα αναφοράς. Όταν χρησιμοποιούν εξωτερική αναφορά, πρέπει να διασφαλίζουν ότι η συχνότητα είναι καλά καθορισμένη και χωρίς θόρυβο φάσης. Μετά τη διεξαγωγή ορισμένων μέτρων διασφάλισης ποιότητας εκ των προτέρων, το σύστημά τους θα χειριστεί μεγάλο μέρος του έργου. Εάν χρειάζονται προσαρμογές, είναι τόσο εύκολο όσο η αλλαγή μιας γραμμής κώδικα.
Στροφή προς τις ψηφιακές υλοποιήσεις
Η σταθεροποίηση ενός λέιζερ απαιτεί την ανίχνευση ενός πολύ ασθενούς σήματος σφάλματος μέσω σημαντικού θορύβου. Ένα κλείδωμα-στον ενισχυτή υπερέχει στην εξαγωγή του, αλλά δεν δημιουργούνται όλοι ίσοι. Μια ψηφιακή,{3}}ορισμένη πλατφόρμα λογισμικού αντικαθιστά το ογκώδες, ακριβό υλικό και καθιστά την κατασκευή πρωτοτύπων και την υλοποίηση ταχύτερη, φθηνότερη και πιο ευέλικτη (βλ. Εικ.{4}}).
Για την επιδίωξη της ακρίβειας, το κάποτε-διαδεδομένο αναλογικό κλείδωμα-στον ενισχυτή είναι πλέον ξεπερασμένο. Ενώ εξακολουθεί να χρησιμοποιείται, το σύγχρονο αντίστοιχο του είναι σαφώς ανώτερο. Είτε χρησιμοποιείτε ακόμα αναλογικό κλείδωμα-σε ενισχυτές από τη δεκαετία του 1970 είτε εργάζεστε στο πρώτο σας έργο επεξεργασίας ψηφιακού σήματος, μπορείτε εύκολα να δικαιολογήσετε την αναβάθμιση.
