Il-bini ta' sistema ta' stabbilizzazzjoni tal-lejżer kienet tfisser l-iżgurar ta' lock analogu goff u għali-fl-amplifikatur. Filwaqt li huma effettivi, dawn is-sistemi jistgħu jkunu limitati fil-flessibbiltà, latenza, u integrazzjoni meta mqabbla ma 'approċċi diġitali moderni. Apparat diġitali li juża l-ipproċessar tas-sinjali diġitali jaqbeż lill-predeċessuri tagħhom, li wrew-studji ta' każijiet fid-dinja reali. Il-futur tal-istabbilizzazzjoni tal-lejżer huwa diġitali?
L-istabbilizzazzjoni tal-lejżer hija essenzjali. F'ħafna setups ta 'stabbilizzazzjoni tal-lejżer, is-sinjal li jirrappreżenta d-devjazzjoni tal-frekwenza huwa estremament dgħajjef u ħafna drabi midfun fil-ħoss fl-isfond. Disturbi ambjentali u ħsejjes tad-ditekter jistgħu faċilment jiddominaw il-kejl, u jagħmlu l-estrazzjoni affidabbli tas-sinjal ta 'żball ta' sfida.
Minkejja l-apparenza, il-lejżers ma jipproduċux kulur perfettament pur u qawwa kostanti. Peress li huma sensittivi għall-ambjent tagħhom, bidliet żgħar fit-temperatura, il-vibrazzjoni, il-pressjoni jew il-provvista tal-enerġija jistgħu jikkawżaw li l-frekwenza tal-lejżer tgħaddi u l-qawwa tvarja. Anke bidliet żgħar għandhom ramifikazzjonijiet sinifikanti f'ambjenti tal-laboratorju u edukattivi.
Għal applikazzjonijiet ta'-preċiżjoni għolja, bħal spettroskopija ta'-riżoluzzjoni għolja, din l-instabilità mhijiex aċċettabbli. L-individwi għandhom jużaw sistemi ta 'stabbilizzazzjoni tal-lejżer biex jikkoreġu b'mod attiv il-varjazzjonijiet u jissakkru l-output tal-lejżer għal referenza esterna stabbli ħafna.
Il-metodu ġenerali għall-istabbilizzazzjoni ta 'lejżer huwa ċirku ta' feedback. Kampjun ta 'dawl jinqasam u jintbagħat lil referenza stabbli, u ditekter ikejjel il-frekwenza tal-lejżer meta mqabbel mar-referenza stabbli. Sinjal ta 'żball ta' żero jindika li l-lejżer huwa msakkar għall-kundizzjoni ta 'referenza, filwaqt li devjazzjonijiet 'il fuq jew taħt iż-żero jindikaw drift tal-frekwenza.
Is-sinjali ta 'żball huma spiss oerhört debboli minħabba li jindifnu fi ħsejjes fl-isfond. Il-mod tradizzjonali biex jiġi estratt huwa b'serratura analoga-f'amplifikatur-kaxxa fiżika sintonizzata speċifikament biex tfittex sinjal fi frekwenza speċifikata.
Kwistjonijiet bil-lock analog-fl-amplifikaturi
Fl-imgħoddi, il-ħolqien ta' sistema ta' stabbilizzazzjoni tal-lejżer kien ifisser ix-xiri ta' amplifikatur waħdu-analoloġiku-fl-amplifikatur li għandu jkun iqabbad fiżikament ma' detectors u moduli elettroniċi oħra. Kien effettiv iżda inflessibbli. Il-professjonisti kellhom jimmodifikaw jew jissostitwixxu l-ħardwer biex jibdlu l-frekwenza tal-modulazzjoni.
Il-lock analogu-fl-amplifikaturi kienu fundamentali għal kejl sensittiv għal għexieren ta' snin, minħabba li jistgħu estratt sinjali ħfief minn ambjenti estremament storbjużi, fejn l-irkupru preċiż tad-dejta huwa imperattiv. Huma servaw l-iskop tagħhom b'mod effettiv, iżda qed jisforzaw biex jilħqu l-aspettattivi tal-prestazzjoni li qed jevolvu. L-utenti ma jistgħux ibiddlu faċilment il-funzjonijiet u s-settings ewlenin tal-apparat-inklużi l-firxa tal-frekwenza operattiva, it-tipi ta' filtri, u l-kostanti tal-ħin.
Il-lock diġitali-fl-amplifikaturi jiddiġitalizzaw is-sinjali tal-input permezz ta' algoritmi tal-ipproċessar tas-sinjali diġitali għal filtrazzjoni preċiża u demodulazzjoni multifrekwenzi-mingħajr drift tal-komponenti. Huma ddisinjati għal operazzjonijiet matematiċi paralleli b'-prestazzjoni għolja,-ħin reali.
L-implimentazzjoni diġitali tirreplika l-funzjoni kollha tas-serratura analoga-f'kaxxa f'kodiċi fuq apparat diġitali. Jiffiltra u jipproċessa n-numri biex jiġi estratt is-sinjal ta' żball f'ħin reali, u konvertitur diġitali-għa-analogu mbagħad joħloq il-vultaġġ meħtieġ biex jikkoreġi l-lejżer. Dan l-approċċ jista 'jaqbeż implimentazzjonijiet analogi fil-prestazzjoni u l-funzjonalità, partikolarment f'applikazzjonijiet li jeħtieġu flessibilità u integrazzjoni.
Fundamenti tal-ipproċessar tas-sinjali diġitali
L-approċċ modern huwa li jiġi diġitizzat il-lock-fil-funzjonijiet ewlenin tal-amplifikatur. Konvertitur Analog-veloċi-għal-diġitali (ADC) jikkonverti s-sinjal analogu storbjuż mid-ditekter f'fluss ta' data diġitali. L-ipproċessar tas-sinjali diġitali jwettaq operazzjonijiet matematiċi fuq din l-informazzjoni. L-output jiġi ffiltrat u pproċessat biex jiġi estratt is-sinjal ta 'żball f'ħin reali.
Tibdil tas-sinjali f'data.L-ADC jikkonverti sinjal ta 'input analogu kontinwu f'serje diskreta ta' numri. It-teħid ta' kampjuni tal-vultaġġ tad-dħul b'rata għolja u fissa jipproduċi fluss tad-dejta li jqarreb il-forma tal-mewġ oriġinali. L-għan huwa li tqabbel is-sinjal tad-dħul ma 'referenza, tipikament mewġa sine.
Biex tagħmel dan, is-sistema taqsam is-sinjal tad-dħul. It-tnejn huma mmultiplikati separatament bir-referenza u kopja mibdula b'fażi ta' 90-grad-. B'differenza mill-istrumenti analogi, it-teknoloġija diġitali telimina t-telf tal-proporzjon tas-sinjal-għall--tal-ħoss meta jaqsam is-sinjal. Dawn is-sinjali mbagħad jgħaddu minn filtri diġitali identiċi low-pass għat-tneħħija tal-istorbju u l-medja tad-dejta.
L-output tal-proċess ta 'demodulazzjoni huwa żewġ valuri stabbli ta' kurrent dirett. Biex tnaddafhom, tuża filtri diġitali bħall-moxt integratur cascaded (CIC) jew ir-rispons tal-impuls finit (FIR), li għandu jrażżan sinjali ta' frekwenza għolja-u jagħti sinjal ta' kurrent dirett (DC) ħieles mill-istorbju.
Sinjali tat-tindif.CIC hija popolari minħabba li ma teħtieġ l-ebda ħażna tal-koeffiċjent tal-filtru jew multiplikazzjoni. Tistrieħ fuq l-aktar komputazzjonijiet sempliċi-jeħtieġlek tnaqqis u żieda biss biex timplimenta dawn il-filtri. Tista' wkoll tikseb filtrazzjoni b'pass baxx-b'kumplessità komputazzjonali ferm aktar baxxa milli b'FIR.
Filwaqt li l-FIR għad għandu użi, jeħtieġ frekwenza ta' qtugħ-estremament baxxa, li tirriżulta f'operazzjonijiet kumplessi, konsum konsiderevoli ta' riżorsi, u latenza ogħla. Jekk tippreferi FIR, tista 'tottimizza b'filtri doppji li jaqsmu tabella waħda tal-koeffiċjenti. Dan il-metodu jagħti prestazzjoni superjuri, kumplessità komputazzjonali baxxa, u użu baxx tar-riżorsi.
Dewmien minimu.Wara t-taħlit, is-sinjal xorta jista 'jkun storbjuż. Biex tnaddaf, il-lock-in irid medja tas-sinjal. Il-medja hija sors komuni ta' dewmien għaliex, min-natura tagħha, ma tistax tinbidel istantanjament u trid titkejjel maż-żmien.
Jekk tagħmel medja ta' intervall ta' żmien qasir ħafna, l-output se jirrispondi malajr ħafna għall-bidliet, iżda mhux se tiffiltra ħafna storbju. B'kuntrast, il-medja fuq perjodu twil effettivament telimina l-istorbju u tagħti riżultat nadif u stabbli, iżda se tieħu żmien twil biex tirrispondi meta s-sinjal reali jinbidel.
Issettja l-kostanti tal-ħin-li tkejjel kemm sistema tirrispondi għall-input-għal valur qasir ħafna. Filwaqt li l-output tiegħek jista 'jkun storbjuż, se jirrispondi kważi istantanjament għal kwalunkwe tibdil. Hekk kif iżżid gradwalment il-kostanti tal-ħin, l-output jibda jdum. Biex tikseb l-iqsar ħin medju possibbli, waqqaf ladarba s-sinjal ikun stabbli biżżejjed għal kejl affidabbli.
Benefiċċji tal-implimentazzjoni diġitali
Bil-lock diġitali-fl-amplifikaturi, il-professjonisti tal-laboratorju jistgħu jbiddlu l-parametri-bħas-settings tal-filtri, il-frekwenza tal-modulazzjoni, u l-gwadann-billi sempliċiment jeditjaw linja ta' kodiċi. M'hemmx għalfejn tmiss xi ħardwer. Il-kontroll diġitali jippermetti tekniki ta 'stabbilizzazzjoni aktar kumplessi u adattivi li huma diffiċli jew impossibbli li jiġu implimentati b'komponenti analogi.
Lil hinn milli tkun aktar intuwittivi, din is-sistema hija tipikament aktar affordabbli. Apparat programmabbli wieħed se jkun konsiderevolment irħas minn kaxxi elettroniċi speċjalizzati multipli b'komponenti analogi. F'ambjenti ta'-dinja reali, sistemi ta' stabbilizzazzjoni tal-lejżer bi proċessar ta' sinjal diġitali huma effiċjenti, b'saħħithom, u kost-effettivi.
Il-mikroskopija tas-sonda tal-iskannjar (SPM), pereżempju, tipprovdi mapep tat-topoloġija tal-wiċċ mikro- u nanoskala. Normalment, it-tqassim tal-punt tal-iskannjar huwa definit fi ħdan mudelli raster tat-topografija rettangolari. Ir-riskju ta 'din l-istrateġija huwa li data siewja tista' tintilef minħabba densità ta 'skannjar insuffiċjenti. Ukoll, is-sistema tista 'tiġi megħluba mid-dejta meta riżoluzzjoni aktar baxxa tkun biżżejjed.
Kontrollur li jappoġġja l-iskannjar adattiv jagħmel l-akkwist tad-dejta aktar effiċjenti. Studju ta' każ wieħed wera li anke proċessur ta' sinjal diġitali bi prezz baxx- jista' jikseb prestazzjoni komparabbli ma' mikroskopji kummerċjali tal-aħħar--l-aħħar-l-aħħar biex jippermettu tħaddim ta' 16-, 18-, u 20-bit. Dan l-esperiment wera l-potenzjal tal-użu ta’ komponenti flessibbli u mhux disponibbli biex jinħolqu strumenti b’saħħithom.
Fond ta 'bit ogħla ifisser li l-kontrollur jista' jkejjel differenzi ta 'għoli ħafna iżgħar. L-immaġini fin-nanoskala teħtieġ preċiżjoni estrema biex tiskopri karatteristiċi ċkejkna, u sistema apposta użata add-on boards biex iżżid ir-riżoluzzjoni nattiva ta' 14-bit għal 18- u 20-bit għal kontroll u kejl aktar isbaħ.
Prototipi ta 'sistema ta' stabbilizzazzjoni tal-lejżer
L-illokkjar diġitali-fl-amplifikaturi huma ferm aktar preċiżi mill-kontropartijiet analogi tagħhom minħabba s-sinteżi tal-frekwenza u l-iskoperta-sensittiva tal-fażi (ara Fig. 1). L-implimentazzjonijiet diġitali joffru flessibilità u skalabbiltà akbar, minkejja kumplessità ta' implimentazzjoni miżjuda. Meta tfassal apparat analogu, xi żbalji huma diffiċli biex jittaffew minħabba l-limitazzjonijiet tal-elettronika analoga.
Kemm jekk ir-riċerkaturi tal-ottika kwantistika jużawx l-ipproċessar tas-sinjal diġitali biex joħolqu netwerks ta 'feedback kumplessi jew laboratorji universitarji jgħallmu lill-istudenti l-prinċipji tal-fiżika tal-lejżer, dawn is-sistemi ta' stabbilizzazzjoni tal-lejżer huma b'mod ċar superjuri għall-kontropartijiet analogi tagħhom.
Biex tibni sistema effettiva, l-individwi għandhom jitbiegħdu minn ħardwer diżordinat u skadut lejn softwer intelliġenti u flessibbli. Meta jagħmlu prototipi, għandhom jistabbilixxu l-kostanti tal-ħin tal-filtru qasir kemm jista 'jkun biex jibbilanċjaw il-ħin ta' reazzjoni u l-istabbiltà tas-sinjal ta 'żball. Il-loop ta 'feedback ta' stabilizzazzjoni għandu jkun aktar mgħaġġel mid-drift tal-laser.
Qfil tajjeb-fil-kejl huwa bbażat fuq sinjal ta' referenza ottimali. Meta jużaw referenza esterna, għandhom jiżguraw li l-frekwenza hija definita sew u ħielsa mill-ħoss tal-fażi. Wara li twettaq xi miżuri ta 'assigurazzjoni tal-kwalità bil-quddiem, is-sistema tagħhom se tieħu ħsieb ħafna mill-legwork. Jekk huma meħtieġa aġġustamenti, huwa faċli daqs li tinbidel linja ta 'kodiċi.
Ċaqliq lejn implimentazzjonijiet diġitali
L-istabbilizzazzjoni ta' lejżer teħtieġ li jinstab sinjal ta 'żball dgħajjef ħafna permezz ta' storbju konsiderevoli. A lock-fl-amplifikatur jeċċella fl-estrazzjoni tiegħu, iżda mhux kollha huma maħluqa ugwali. Pjattaforma diġitali, definita ta' softwer-tissostitwixxi ħardwer goff u għali, u tagħmel il-prototipi u l-implimentazzjoni aktar mgħaġġla, irħas, u aktar flessibbli (ara Fig. 2).
Fl-insegwiment tal-eżattezza, l-amplifikatur ta' darba-analoku prevalenti-in issa huwa skadut. Filwaqt li għadu użabbli, il-kontroparti moderna tagħha hija b'mod ċar superjuri. Kemm jekk għadek tuża analog lock-f'amplifikaturi mis-snin sebgħin jew taħdem fuq l-ewwel proġett ta' pproċessar tas-sinjali diġitali tiegħek, tista' faċilment tiġġustifika l-aġġornament.
