A lézeres stabilizáló rendszer kiépítése korábban egy terjedelmes, drága analóg rögzítés-rögzítését jelentette az erősítőben. Bár ezek a rendszerek hatékonyak, a modern digitális megközelítésekhez képest korlátozottak lehetnek a rugalmasságban, a késleltetésben és az integrációban. A digitális jelfeldolgozást kihasználó digitális eszközök jobban teljesítenek, mint elődeik, amint azt a valós esettanulmányok kimutatták. A lézeres stabilizálás jövője digitális?
A lézeres stabilizálás elengedhetetlen. Sok lézeres stabilizációs beállításnál a frekvenciaeltérést jelző jel rendkívül gyenge, és gyakran háttérzajba temetkezik. A környezeti zavarok és az érzékelő zaja könnyen uralhatja a mérést, ami kihívást jelent a hibajel megbízható kinyerése.
A látszat ellenére a lézerek nem produkálnak tökéletesen tiszta színt és állandó teljesítményt. Mivel érzékenyek a környezetükre, a hőmérséklet, a rezgés, a nyomás vagy az áramellátás apró eltolódásai a lézer frekvenciájának eltolódását és a teljesítmény ingadozását okozhatják. Még a kisebb változtatások is jelentős következményekkel járnak a laboratóriumi és oktatási körülmények között.
Nagy-precíziós alkalmazásoknál, például nagyfelbontású-spektroszkópiánál, ez az instabilitás elfogadhatatlan. Az egyéneknek lézeres stabilizáló rendszereket kell használniuk az ingadozások aktív korrigálása érdekében, és a lézer kimenetét egy nagyon stabil külső referenciahoz kell rögzíteni.
A lézer stabilizálásának általános módja a visszacsatoló hurok. A fénymintát leválasztják és egy stabil referenciahoz küldik, és egy detektor méri a lézer frekvenciáját a stabil referenciahoz képest. A nulla hibajelzés azt jelzi, hogy a lézer a referencia állapothoz van rögzítve, míg a nulla feletti vagy alatti eltérések frekvencia eltolódást jeleznek.
A hibajelzések gyakran hihetetlenül halványak, mert a háttérzajba temetik. A kinyerésének hagyományos módja egy analóg zár-az erősítőben-egy fizikai doboz, amely kifejezetten úgy van beállítva, hogy meghatározott frekvencián keressen jelet.
Problémák az analóg zárral-az erősítőkben
Korábban egy lézeres stabilizáló rendszer létrehozása azt jelentette, hogy különálló-analóg reteszelő-erősítőt kellett vásárolni, amelyet fizikailag össze kellett kötni az érzékelőkkel és más elektronikus modulokkal. Hatékony volt, de rugalmatlan. A szakembereknek hardvert kellett módosítaniuk vagy cserélniük a modulációs frekvencia megváltoztatásához.
Az analóg lock-erősítők évtizedek óta az érzékeny mérések alapját képezik, mivel halvány jeleket tudnak kinyerni rendkívül zajos környezetekből, ahol elengedhetetlen a pontos adatlekérés. Hatékonyan teljesítették céljukat, de erőlködnek, hogy megfeleljenek a változó teljesítményelvárásoknak. A felhasználók nem tudják könnyen módosítani az eszköz alapvető funkcióit és beállításait,{3}}beleértve a működési frekvenciatartományt, a szűrőtípusokat és az időállandókat.
A digitális zár-az erősítőkben digitális jelfeldolgozó algoritmusok segítségével digitalizálja a bemeneti jeleket a precíz szűrés és a többfrekvenciás demoduláció érdekében-komponens-drift nélkül. Nagy-teljesítményű, valós idejű,-párhuzamos matematikai műveletekre tervezték.
A digitális megvalósítás megismétli az analóg zár -dobozban történő teljes funkcióját egy digitális eszközön. Szűri és feldolgozza a számokat, hogy valós időben kinyerje a hibajelet, majd egy digitális-analóg konverter létrehozza a lézer javításához szükséges feszültséget. Ez a megközelítés teljesítményben és funkcionalitásban felülmúlhatja az analóg megvalósításokat, különösen a rugalmasságot és integrációt igénylő alkalmazásokban.
A digitális jelfeldolgozás alapjai
A modern megközelítés az erősítő alapvető funkcióinak-zárásának digitalizálása. Egy nagy-sebességű analóg---digitális konverter (ADC) átalakítja az érzékelőből érkező zajos analóg jelet digitális adatfolyammá. A digitális jelfeldolgozás matematikai műveleteket hajt végre ezen az információn. A kimenetet szűrjük és feldolgozzuk, hogy valós időben kinyerjük a hibajelet.
A jelek adattá alakítása.Az ADC a folyamatos analóg bemeneti jelet diszkrét számsorokká alakítja át. A bemeneti feszültség magas, rögzített sebességű mintavétele olyan adatfolyamot eredményez, amely megközelíti az eredeti hullámformát. A cél a bemeneti jel összehasonlítása egy referenciajellel, jellemzően egy szinuszhullámmal.
Ehhez a rendszer felosztja a bemeneti jelet. Mindkettő külön-külön meg van szorozva a referenciával és egy 90-fokos fáziseltolt{4}}másolattal. Az analóg műszerekkel ellentétben a digitális technológia kiküszöböli a jel{5}}/-zaj arány veszteségét a jel felosztása során. Ezek a jelek ezután azonos digitális aluláteresztő szűrőkön haladnak át a zaj eltávolításához és az adatok átlagolásához.
A demodulációs folyamat kimenete két stabil egyenáram érték. A tisztításukhoz digitális szűrőket kell használni, például a kaszkádos integrátorfésűt (CIC) vagy a véges impulzusválaszt (FIR), amelyek elnyomják a nagy{1}}frekvenciás jeleket, és zajmentes egyenáramú (DC) jelet adnak.
Tisztítási jelek.A CIC népszerű, mert nem igényel szűrőegyüttható tárolást vagy szorzást. A legegyszerűbb számításokra támaszkodik, -csak kivonásra és összeadásra van szüksége a szűrők megvalósításához. Az aluláteresztő szűrést is lényegesen kisebb számítási bonyolultsággal érheti el, mint a FIR-rel.
Bár a FIR-nek még mindig vannak felhasználási területei, rendkívül alacsony vágási-frekvenciát igényel, ami összetett műveleteket, jelentős erőforrás-felhasználást és magasabb késleltetést eredményez. Ha jobban szereti a FIR-t, akkor kettős szűrőkkel optimalizálhat, amelyek egy együtthatótáblázaton osztoznak. Ez a módszer kiváló teljesítményt, alacsony számítási bonyolultságot és alacsony erőforrás-kihasználást biztosít.
Minimális késések.Keverés után a jel még mindig zajos lehet. A tisztításhoz a zárnak -átlagolnia kell a jelet. Az átlagolás a késések gyakori forrása, mivel természeténél fogva nem változhat azonnal, és idővel mérni kell.
Ha egy nagyon rövid időintervallumot átlagol, akkor a kimenet nagyon gyorsan reagál a változásokra, de nem szűri ki sok zajt. Ezzel szemben a hosszú időn keresztüli átlagolás hatékonyan kiküszöböli a zajt, és tiszta és stabil eredményt ad, de hosszú időbe telik, amíg a valós jel megváltozik.
Állítsa be az időállandót-, amely azt méri, hogy a rendszer milyen gyorsan reagál egy nagyon rövid érték bevitelére-. Bár a kimenet zajos lehet, szinte azonnal reagál minden változásra. Ahogy fokozatosan növeli az időállandót, a kimenet késni kezd. A lehető legrövidebb átlagolási idő elérése érdekében állítsa le, ha a jel elég stabil a megbízható méréshez.
A digitális megvalósítás előnyei
Az erősítőkben található digitális zárral- a laboratóriumi szakemberek egyszerűen egy kódsor szerkesztésével módosíthatják a paramétereket-, például a szűrőbeállításokat, a modulációs frekvenciát és az erősítést-. Nem kell hozzányúlni semmilyen hardverhez. A digitális vezérlés bonyolultabb, adaptív stabilizációs technikákat tesz lehetővé, amelyeket nehéz vagy lehetetlen megvalósítani analóg komponensekkel.
Amellett, hogy intuitívabb, ez a rendszer jellemzően megfizethetőbb. Egyetlen programozható eszköz lényegesen olcsóbb lesz, mint több analóg komponensekkel rendelkező speciális elektronikus doboz. A valós-beállításokban a digitális jelfeldolgozással rendelkező lézerstabilizáló rendszerek hatékonyak, nagy teljesítményűek és költséghatékonyak.
A pásztázó szonda mikroszkópja (SPM) például mikro{0}} és nanoméretű felszíni topológiai térképeket biztosít. Általában a pásztázási pont elrendezése négyszögletes topográfiai rasztermintákon belül van meghatározva. Ennek a stratégiának az a kockázata, hogy értékes adatok hiányozhatnak az elégtelen szkennelési sűrűség miatt. Ezenkívül a rendszert túlterhelhetik az adatok, ha alacsonyabb felbontás is elegendő lenne.
Az adaptív szkennelést támogató vezérlő hatékonyabbá teszi az adatgyűjtést. Egy esettanulmány kimutatta, hogy még egy alacsony-költségű digitális jelfeldolgozó processzor is hasonló teljesítményt ér el, mint a legkorszerűbb, -korszerű kereskedelmi mikroszkópok, amelyek lehetővé teszik a 16-, 18- és 20 bites működést. Ez a kísérlet bemutatta a rugalmas, készen kapható alkatrészek alkalmazásában rejlő lehetőségeket erős műszerek létrehozására.
A nagyobb bitmélység azt jelenti, hogy a vezérlő sokkal kisebb magasságkülönbségeket képes mérni. A nanoméretű képalkotás rendkívüli precizitást igényel az apró funkciók észleléséhez, és egy egyéni rendszer, amelyet az alaplapokon alkalmaznak, hogy a natív 14 bites felbontást 18 és 20 bitesre növeljék a finomabb vezérlés és mérés érdekében.
Lézeres stabilizáló rendszer prototípusai
Az erősítőkben található digitális zár-a frekvenciaszintézisnek és a fázisérzékeny -észlelésnek köszönhetően lényegesen pontosabb, mint analóg társaiké (lásd:. 1). A digitális megvalósítások nagyobb rugalmasságot és skálázhatóságot kínálnak a megnövekedett megvalósítási összetettség ellenére. Az analóg eszközök tervezése során néhány hiba az analóg elektronika korlátai miatt nehezen csökkenthető.
Függetlenül attól, hogy a kvantumoptikai kutatók digitális jelfeldolgozást alkalmaznak összetett visszacsatoló hálózatok létrehozására, vagy az egyetemi laboratóriumok tanítják a hallgatóknak a lézerfizika alapelveit, ezek a lézeres stabilizációs rendszerek egyértelműen jobbak analóg társaiknál.
Egy hatékony rendszer felépítéséhez az egyéneknek el kell távolodniuk a rendetlen, elavult hardverektől az intelligens, rugalmas szoftverek felé. A prototípus készítésekor a szűrő időállandóját a lehető legrövidebbre kell állítaniuk, hogy egyensúlyba kerüljön a reakcióidő és a hibajel stabilitása. A stabilizáló visszacsatoló huroknak gyorsabbnak kell lennie, mint a lézer sodródása.
A jó rögzítés-az optimális referenciajelen alapul. Külső referencia használatakor gondoskodniuk kell arról, hogy a frekvencia jól meghatározott legyen és fáziszajmentes legyen. Néhány minőségbiztosítási intézkedés elvégzése után rendszerük kezeli a lábmunka nagy részét. Ha módosításokra van szükség, az olyan egyszerű, mint egy kódsor megváltoztatása.
Váltás a digitális megvalósítások felé
A lézer stabilizálásához nagyon gyenge hibajel észlelése szükséges jelentős zajon keresztül. Az erősítő lock-kiválója annak kibontásában, de nem mindenki egyenlő. A digitális, szoftveresen-definiált platform helyettesíti a terjedelmes, drága hardvert, és gyorsabbá, olcsóbbá és rugalmasabbá teszi a prototípusok elkészítését és megvalósítását (lásd:{4}}).
A pontosság érdekében az egykor -elterjedt analóg lock-erősítő mára elavult. Bár még használható, modern párja egyértelműen jobb. Akár még mindig analóg lock{4}}erősítőket használ az 1970-es évekből, akár az első digitális jelfeldolgozó projektjén dolgozik, könnyen megindokolhatja a frissítést.
