Moku:Proによるフーリエ変換超高速分光法の進歩

フーリエ変換超高速分光法（FTUS）は、科学者がスペクトルを極めて高速かつ高精度で取得・分析する方法に革命をもたらした強力な技術です。FTUSはフーリエ変換の原理を利用し、参照信号との干渉法を用いることで、複雑な信号を効率的に周波数成分に分解します。この方法により、個々の波長や周波数を走査することなく、関連するすべての周波数情報を同時に網羅した包括的なスペクトルを取得できます。波長の関数として光強度を測定するためにプリズムや回折格子を用いる従来の分散分光法とは異なり、FTUSは逐次走査の制約を受けないため、様々な科学・工学分野で不可欠なツールとなっています。FTUSは、完全なスペクトルを迅速かつ正確に取得できるという点で他とは一線を画し、データ収集の迅速化、高分解能スペクトル、微弱信号の高感度検出といった利点をもたらします。その影響は、材料特性評価から生物学研究まで、精密なスペクトル分析が科学的進歩に不可欠な様々な分野に及んでいます。武漢にある中国科学院のチームは、 Moku:Proは、一般的なベンチ必需品からユニークで不可欠な機器に至るまで、15 を超えるソフトウェア定義の機器を提供する高度な FPGA ベースのテスト デバイスで、最も実験的なラボのセットアップも合理化します。の使用 ロックインアンプ (NAIST) と MokuクラウドコンパイルShaoGang Yu 博士は、さまざまな安定化設定に精密機器を採用することでチームの研究を進めてきました。

FTUS技術は効果的であるにもかかわらず、高感度、高解像度、高効率なFTUS技術の追求は、研究者にとって継続的な課題となっています。FTUS技術の核心は干渉計アームの長さにあり、これは機械的振動や気流などの環境ノイズの影響を受けやすいです。わずかな擾乱でも光路長と干渉位相に変化が生じ、結果として信号測定感度と信号対雑音比（SNR）に影響を及ぼします。したがって、安定した干渉アーム長ロック機構を実現することは、FTUS技術の進歩に不可欠です。現在のアプローチは、FTUS励起レーザーと同軸に伝搬する参照レーザーを利用することに重点を置いています。参照レーザーの干渉縞のジッターを綿密に監視してロックすることで、研究者は望ましい干渉アーム長の安定性を得ることができます。しかし、参照レーザーは干渉計アーム長の安定化に役立つ一方で、サンプルを励起するために使用できないという大きな課題があります。この問題を解決するために、実験では通常、励起レーザーとは波長が大きく異なる参照レーザーが使用されます。しかしながら、この回避策には大きな欠点がある。それは、参照レーザーと励起レーザーで位相ジッターに大きな差が生じることである。この差はFTUS技術指標の向上とその幅広い応用を著しく阻害するため、研究者は複雑な実験や実世界での応用において最適な結果を得るために、方法論の革新と改良を迫られている。

この問題に取り組むために、同アカデミーの精密計測科学技術イノベーションアカデミーの研究者であるユ教授と彼のチームは、 マルチインストゥルメントモード Moku:Pro 用の超安定リファレンスレーザーと組み合わせたロックインアンプを採用し、リアルタイム干渉位相測定を復調し、Moku Cloud Compile を使用してカスタムアルゴリズムを実装しました。これは、すべての Moku 製品で利用可能な機能で、ユーザーはデバイス内の FPGA にアクセスしてカスタム機能を有効にすることができます。Moku Cloud Compile を使用すると、ユーザーは Web ブラウザーを使用して必要なコードを作成し、クラウドでコンパイルし、アプリで 1 つ以上の Moku デバイスにビットストリームを展開するだけです。完全な柔軟性を実現するために、ユーザーは HDL でコードを記述し、当社の 例または、Simulink、MATLAB、HDL Coderなどの互換性のあるツールと連携して作業できます。この柔軟性により、Yu教授は位相をリアルタイムで変換することができ、あらゆる波長で正確な位相決定が可能になり、シームレスなデータ取得と記録が容易になりました。このソリューションは、レーザー波長の顕著な違いによって引き起こされる位相ジッターの課題をうまく軽減し、最終的に高感度、高解像度、高効率のFTUS技術の進歩を可能にします。注目すべきは、この合理化されたプロセスでは、位相測定、位相変換、包括的なデータ取得などの側面でデバイスの多用途なマルチインストゥルメントモード機能を最大限に活用するため、Moku:Proユニットが1台しか必要ないことです。この測定方法の開発は、FTUS技術の継続的な改善における重要なマイルストーンであり、その潜在的なアプリケーションを大幅に拡大します。その影響は、物理学、化学、生物学、天文学研究など、さまざまな科学分野に及び、そこで大きな価値を持ち、さらなるブレークスルーの有望な見通しがあります。図1と図2は、マルチインストゥルメントモードとロックインアンプ構成のセットアップを示しています。このシステムでは、ロックインアンプとMoku Cloud Compileが連携して位相変換を実行します。続いて、スロット3の2番目のロックインアンプが、変換された位相信号を使用して入力信号を復調します。結果として得られた復調データは、 データロガー スロット 4 で処理します。この研究により、FTUS の分野を前進させる新しいアルゴリズムが生まれ、Moku Cloud Compile で実装されました。

図 3 に示す復調データに対して高速フーリエ変換 (FFT) を実行した後、チームは高い SNR で正確なスペクトルを取得することに成功しました (図 4 を参照)。この高精度のスペクトルは、分析対象の粒子の物理的特性を表します。 図4において、青線は波長700nmのレーザーを用いて取得したデータに対応しており、これは目標波長から74nm離れています。一方、赤線は復調に波長800nmのレーザーを用いて取得したデータを表しています。注目すべきは、赤線の方が青線よりもSNRが優れている点です。この改善は、赤線のレーザー波長が目標波長に48nm近いため、最終結果における位相の乱れが少なくなることによるものです。Moku:Proの位相変換機能を活用することで、研究者は復調信号の波長を目標波長に近づけるように微調整できます。その結果、SNRがさらに向上し、微弱信号の検出や高ノイズ環境での動作において大きな利点が得られます。これは、FTUS分野の発展に貢献するMoku:Proの能力と可能性を明確に示しています。 研究チームの成果を振り返り、ユー教授はMoku:Proの性能と柔軟性を高く評価した。「Moku:Proは、ロックインアンプなどの強力なソフトウェア定義型計測器を提供するだけでなく、マルチインストゥルメントモードとMoku Cloud Compileによって、これまでにない柔軟性を実現してくれました」と教授は述べた。「この2つの機能の組み合わせにより、これまで非常に困難だった実験を完了することができました。」

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