Lāzera stabilizācijas sistēmas izveide agrāk nozīmēja apjomīgas, dārgas analogās bloķēšanas-nostiprināšanu pastiprinātājā. Lai gan šīs sistēmas ir efektīvas, tās var būt ierobežotas elastības, latentuma un integrācijas ziņā salīdzinājumā ar mūsdienu digitālajām pieejām. Digitālās ierīces, kas izmanto digitālo signālu apstrādi, pārspēj savas priekšgājējas, kā liecina reālās pasaules gadījumu izpēte. Vai lāzera stabilizācijas nākotne ir digitāla?
Lāzera stabilizācija ir būtiska. Daudzos lāzera stabilizācijas iestatījumos signāls, kas atspoguļo frekvences novirzi, ir ārkārtīgi vājš un bieži vien ir aprakts fona trokšņos. Vides traucējumi un detektora troksnis var viegli dominēt mērījumā, padarot uzticamu kļūdas signāla ieguvi sarežģītu.
Neskatoties uz šķietamību, lāzeri nerada perfekti tīru krāsu un nemainīgu jaudu. Tā kā tie ir jutīgi pret vidi, nelielas temperatūras, vibrācijas, spiediena vai strāvas padeves izmaiņas var izraisīt lāzera frekvences novirzi un jaudas svārstības. Pat nelielām izmaiņām ir būtiskas sekas laboratorijas un izglītības vidē.
Augstas-precizitātes lietojumprogrammām, piemēram, augstas-izšķirtspējas spektroskopijai, šī nestabilitāte ir nepieņemama. Indivīdiem ir jāizmanto lāzera stabilizācijas sistēmas, lai aktīvi koriģētu svārstības un bloķētu lāzera izvadi uz ļoti stabilu ārējo atskaiti.
Vispārējā lāzera stabilizēšanas metode ir atgriezeniskās saites cilpa. Gaismas paraugs tiek sadalīts un nosūtīts uz stabilu atskaites punktu, un detektors mēra lāzera frekvenci salīdzinājumā ar stabilu atsauci. Nulles kļūdas signāls norāda, ka lāzers ir bloķēts atsauces stāvoklī, savukārt novirzes virs vai zem nulles norāda uz frekvences novirzi.
Kļūdu signāli bieži ir neticami vāji, jo tie tiek aprakti fona trokšņos. Tradicionālais veids, kā to iegūt, ir ar analogo slēdzeni-pastiprinātājā-fiziskā kastē, kas īpaši noregulēta, lai meklētu signālu noteiktā frekvencē.
Problēmas ar analogo bloķēšanu-pastiprinātājiem
Agrāk lāzera stabilizācijas sistēmas izveide nozīmēja iegādāties atsevišķu{0}}analogo slēdzeni-pastiprinātājā, kam jābūt fiziski savienotam ar detektoriem un citiem elektroniskiem moduļiem. Tas bija efektīvi, bet neelastīgi. Profesionāļiem bija jāmaina vai jānomaina aparatūra, lai mainītu modulācijas frekvenci.
Analogā bloķēšana-pastiprinātājiem ir bijusi sensitīvu mērījumu pamatā jau gadu desmitiem, jo tie var iegūt vājus signālus no ārkārtīgi trokšņainas vides, kur ir nepieciešama precīza datu izguve. Tie efektīvi kalpoja savam mērķim, taču piepūlas, lai apmierinātu mainīgās darbības cerības. Lietotāji nevar viegli mainīt ierīces pamatfunkcijas un iestatījumus,-tostarp darbības frekvenču diapazonu, filtru veidus un laika konstantes.
Digitālā bloķēšana-pastiprinātāju digitalizē ieejas signālus, izmantojot digitālo signālu apstrādes algoritmus precīzai filtrēšanai un daudzfrekvenču demodulācijai-bez komponentu novirzes. Tie ir paredzēti augstas veiktspējas-reāllaika-paralēlām matemātiskām darbībām.
Digitālā ieviešana digitālajā ierīcē atkārto visu analogās bloķēšanas funkciju -kastē. Tas filtrē un apstrādā skaitļus, lai reāllaikā iegūtu kļūdas signālu, un digitālais{2}}analogais pārveidotājs pēc tam izveido spriegumu, kas nepieciešams lāzera labošanai. Šī pieeja var pārspēt analogās implementācijas veiktspējas un funkcionalitātes ziņā, jo īpaši lietojumprogrammās, kurām nepieciešama elastība un integrācija.
Digitālās signālu apstrādes pamati
Mūsdienu pieeja ir pastiprinātāja pamatfunkciju bloķēšanas-digitalizācija. Ātrgaitas-analogais-uz-digitālais pārveidotājs (ADC) pārvērš trokšņaino analogo signālu no detektora digitālo datu plūsmā. Digitālā signālu apstrāde veic matemātiskas darbības ar šo informāciju. Izvade tiek filtrēta un apstrādāta, lai iegūtu kļūdas signālu reāllaikā.
Signālu pārvēršana datos.ADC pārveido nepārtrauktu analogo ievades signālu diskrētā skaitļu sērijā. Ievades sprieguma paraugu ņemšana ar augstu fiksētu ātrumu rada datu plūsmu, kas aptuveni atbilst sākotnējai viļņu formai. Mērķis ir salīdzināt ieejas signālu ar atsauci, parasti sinusoidālu vilni.
Lai to izdarītu, sistēma sadala ieejas signālu. Abi tiek reizināti atsevišķi ar atsauci un 90-grādu fāzes-nobīdīto kopiju. Atšķirībā no analogajiem instrumentiem, digitālā tehnoloģija novērš signāla -/-trokšņu attiecības zudumus, sadalot signālu. Šie signāli pēc tam iziet cauri identiskiem digitāliem zemas caurlaidības filtriem trokšņu noņemšanai un datu vidējai noteikšanai.
Demodulācijas procesa izvade ir divas stabilas līdzstrāvas vērtības. Lai tos notīrītu, izmantojiet digitālos filtrus, piemēram, kaskādes integratora ķemmi (CIC) vai ierobežotu impulsu reakciju (FIR), kam vajadzētu nomākt augstas-frekvences signālus un nodrošināt līdzstrāvas (DC) signālu bez trokšņa.
Tīrīšanas signāli.CIC ir populāra, jo tai nav nepieciešama filtra koeficienta glabāšana vai reizināšana. Tas balstās uz vienkāršākajiem aprēķiniem,-lai ieviestu šos filtrus, ir nepieciešama tikai atņemšana un saskaitīšana. Jūs varat arī sasniegt zemas caurlaidības filtrēšanu ar ievērojami zemāku skaitļošanas sarežģītību nekā ar FIR.
Lai gan FIR joprojām var izmantot, tai ir nepieciešama ārkārtīgi zema-izslēgšanas frekvence, kas rada sarežģītas darbības, ievērojamu resursu patēriņu un lielāku latentumu. Ja vēlaties FIR, varat optimizēt ar diviem filtriem, kuriem ir viena koeficientu tabula. Šī metode nodrošina izcilu veiktspēju, zemu skaitļošanas sarežģītību un zemu resursu izmantošanu.
Minimāla kavēšanās.Pēc sajaukšanas signāls joprojām var būt trokšņains. Lai to notīrītu, bloķēšanai -jānorāda signāla vidējais rādītājs. Vidējā noteikšana ir izplatīts kavēšanās avots, jo pēc būtības tas nevar mainīties uzreiz un ir jāmēra laika gaitā.
Ja jūs vidējo ļoti īsu laika intervālu, izvade ļoti ātri reaģēs uz izmaiņām, taču jūs nefiltrēsit lielu troksni. Turpretim vidējā noteikšana ilgā laika periodā efektīvi novērsīs troksni un sniegs tīru un stabilu rezultātu, taču būs nepieciešams ilgs laiks, lai reaģētu, kad mainās reālais signāls.
Iestatiet laika konstanti,{0}}kas mēra, cik ātri sistēma reaģē uz ievadi-ļoti īsai vērtībai. Lai gan jūsu izvade var būt trokšņaina, tā gandrīz uzreiz reaģēs uz visām izmaiņām. Pakāpeniski palielinot laika konstanti, izvade sāks kavēties. Lai iegūtu pēc iespējas īsāku vidējo noteikšanas laiku, apstājieties, tiklīdz signāls ir pietiekami stabils, lai nodrošinātu uzticamu mērījumu.
Digitālās ieviešanas priekšrocības
Izmantojot pastiprinātāju digitālo bloķēšanu-, laboratorijas profesionāļi var mainīt parametrus-, piemēram, filtra iestatījumus, modulācijas frekvenci un pastiprinājumu-, vienkārši rediģējot koda rindiņu. Nav nepieciešams pieskarties nevienai aparatūrai. Digitālā vadība nodrošina sarežģītākas, adaptīvākas stabilizācijas metodes, kuras ir grūti vai neiespējami īstenot ar analogajiem komponentiem.
Šī sistēma ir ne tikai intuitīvāka, bet arī daudz pieejamāka. Viena programmējama ierīce būs ievērojami lētāka nekā vairākas specializētas elektroniskās kastes ar analogiem komponentiem. Reālos iestatījumos-lāzera stabilizācijas sistēmas ar digitālo signālu apstrādi ir efektīvas, jaudīgas un rentablas.
Piemēram, skenējošās zondes mikroskopija (SPM) nodrošina mikro{0}} un nanomēroga virsmas topoloģijas kartes. Parasti skenēšanas punkta izkārtojums tiek noteikts taisnstūrveida topogrāfijas rastra modeļos. Šīs stratēģijas risks ir tāds, ka vērtīgi dati var tikt izlaisti nepietiekama skenēšanas blīvuma dēļ. Turklāt sistēma var būt pārslogota ar datiem, ja pietiktu ar zemāku izšķirtspēju.
Kontrolieris, kas atbalsta adaptīvo skenēšanu, padara datu iegūšanu efektīvāku. Viens gadījuma pētījums parādīja, ka pat ar zemu-cenas digitālo signālu procesoru var sasniegt salīdzināmu veiktspēju ar -modernākajiem komerciālajiem mikroskopiem, lai nodrošinātu 16-, 18- un 20 bitu darbību. Šis eksperiments parādīja iespēju izmantot elastīgus, jau nopērkamus komponentus, lai radītu jaudīgus instrumentus.
Lielāks bitu dziļums nozīmē, ka kontrolieris var izmērīt daudz mazākas augstuma atšķirības. Attēlveidošanai nanomērogā ir nepieciešama ārkārtīga precizitāte, lai noteiktu sīkas funkcijas, un pielāgota sistēma, ko izmanto, pievieno-platēs, lai palielinātu sākotnējo 14 bitu izšķirtspēju līdz 18 bitu un 20 bitu precīzākai kontrolei un mērījumiem.
Lāzera stabilizācijas sistēmu prototipi
Digitālā bloķēšana-pastiprinātos ir ievērojami precīzāka nekā analogie analogi, pateicoties frekvences sintēzei un fāzes-jutīgai noteikšanai (skatiet attēlu{2}}). Digitālās ieviešanas piedāvā lielāku elastību un mērogojamību, neskatoties uz papildu ieviešanas sarežģītību. Izstrādājot analogās ierīces, dažas kļūdas ir grūti novērst analogās elektronikas ierobežojumu dēļ.
Neatkarīgi no tā, vai kvantu optikas pētnieki izmanto digitālo signālu apstrādi, lai izveidotu sarežģītus atgriezeniskās saites tīklus, vai arī universitātes laboratorijas māca studentiem lāzerfizikas principus, šīs lāzera stabilizācijas sistēmas nepārprotami ir pārākas par analogajām kolēģēm.
Lai izveidotu efektīvu sistēmu, cilvēkiem ir jāpāriet no nekārtīgas, novecojušas aparatūras uz viedu, elastīgu programmatūru. Veidojot prototipu, tiem ir jāiestata pēc iespējas īsāks filtra laika konstante, lai līdzsvarotu reakcijas laiku un kļūdas signāla stabilitāti. Stabilizācijas atgriezeniskās saites cilpai jābūt ātrākai par lāzera novirzi.
Laba mērījuma bloķēšana- ir balstīta uz optimālu atsauces signālu. Izmantojot ārēju atsauci, tiem jānodrošina, lai frekvence ir labi definēta un bez fāzes trokšņiem. Pēc dažu kvalitātes nodrošināšanas pasākumu veikšanas viņu sistēma tiks galā ar lielu daļu darba. Ja ir nepieciešami pielāgojumi, tas ir tikpat vienkārši kā koda rindiņas maiņa.
Pārejiet uz digitālo ieviešanu
Lāzera stabilizēšanai nepieciešams atklāt ļoti vāju kļūdas signālu, izmantojot ievērojamu troksni. Pastiprinātāja bloķēšana- ir izcila tā izņemšanā, taču ne visi ir vienādi. Digitāla, programmatūras -definēta platforma aizstāj apjomīgo, dārgo aparatūru un padara prototipu izveidi un ieviešanu ātrāku, lētāku un elastīgāku (skatiet attēlu{4}}).
Lai panāktu precizitāti, kādreiz -izplatītais analogais bloķētājs-pastiprinātājā tagad ir novecojis. Lai gan joprojām ir lietojams, tā modernais līdzinieks ir nepārprotami pārāks. Neatkarīgi no tā, vai joprojām izmantojat analogo bloķēšanas{4}}pastiprinātājus no 1970. gadiem vai strādājat pie sava pirmā digitālā signāla apstrādes projekta, varat viegli attaisnot jaunināšanu.
