イントロダクション
ベルリン・フンボルト大学は、最先端の科学研究を長年にわたり支援してきたドイツの名門公立大学です。同大学は物理学における数々の画期的な発見と深く結びついており、著名な教員卒業生にはアルバート・アインシュタインも名を連ねています。統合量子センサー共同研究室（www.iqs.berlin）の博士課程候補生であるジュリアン・クルーゲ氏は、同大学の先駆的な研究の伝統をさらに発展させるべく研究に取り組んでいます。クルーゲ氏は、光時計としても知られる時間・周波数基準の開発に携わっています。彼は、同じくベルリンに拠点を置く応用研究センターであり、必要な特性を持つレーザー光源の開発・提供を行っている世界的に有名なフェルディナント・ブラウン研究所と緊密に連携しています。ドイツ航空宇宙センター（DLR）の資金提供を受けた研究プロジェクトにおいて、クルーゲ氏は宇宙用途向けの移動式光時計と、全地球測位サービス（GPS）向けの全地球航法衛星システム（GNSS）の開発を目指しています。安定したモバイル光時計の開発は、宇宙航行の進歩に刺激的な新たな機会をもたらすとともに、通信などの重要な地上アプリケーションをサポートします。この先駆的な研究を行うために、ジュリアンは、 Moku:Pro （図1）。この高度な FPGA ベースのテスト デバイスは、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し、最も実験的なラボのセットアップも合理化します。を搭載した ２台の Moku:Pro デバイスを使用する レーザーロックボックス, デジタルフィルターボックス, ロックインアンプ, PIDコントローラー ジュリアンは、さまざまな安定化セットアップに精密機器を採用することで研究を進めました。
図 1: ロックインアンプ計器ディスプレイを備えた Moku:Pro デバイス
課題
当初、ジュリアンとそのチームは、レーザーロックの一般的な方法であるアナログの自作ロック回路を採用した。この方法は効果的ではあるものの、多くの問題が生じやすく、研究の進展を困難にしていた。例えば、実験室の温度がわずかに変化するだけでもクロック信号が変わってしまい、ロックが狂ってしまう。さらに、アナログシステムは設定が複雑で調整も難しかった。精密な設定には多くの時間を要し、多数のテストを自動化することはできなかった。計算に基づいた綿密なテストはすべて手作業で行う必要があり、多くの手作業による介入を必要とする面倒な作業だった。繰り返しテストを行う場合は、実験を何度もセットアップし、データを手動で記録しなければならなかった。
ソリューション
手動の方法からMoku:Proに切り替えた後、Julienと彼のチームは、シームレスかつ正確にテストを自動化し、データを記録できる新しい機能のおかげで、大幅な時間の節約と研究の加速を実現しました。Moku:Proは信号をデジタル復調し、温度設定値に関する問題もなく正しい周波数サイドバンドを生成しました。何よりも素晴らしいのは、すべてが便利で持ち運び可能なデバイスで制御されるようになったことです。 iPadさらに、手動によるトラブルシューティングを1年間続けた後も、ジュリアンと彼のチームはクロックの安定性を向上させる最善の方法を見つけることができませんでした。アナログコンポーネントのDCノイズが問題の原因であることが判明すると、デジタル信号チェーン内でMoku:Proに切り替えることで問題は完全に解決し、温度関連の問題も改善されました。彼らはアナログ設定を変更し、代わりにMoku:Pro機器を有効化しました。 マルチインストゥルメントモード (図2)。彼らはまずデジタル フィルター ボックス機器を利用して光クロックからノイズを除去し、次にその信号を 3 台のレーザー ロック ボックス機器 (図 XNUMX) に供給して安定した信号を生成しました。
図2: Moku:Pro マルチインストルメントモードのレーザー安定化システムのセットアップ
図 3: 原子時計遷移のデジタル復調応答を示す Moku:Proレーザーロックボックスのセットアップ
Moku:Proに切り替えた後、ジュリアンのグループはプログラムでMoku機器にアクセスできるため、はるかに効率的になりました。 API 繰り返しの手動テストを減らすため、Python を使用して Moku:Pro を制御し、テストを自動化し、ソフトウェア定義計測器と完全にインターフェースしました。マルチインストゥルメント モードを使用すると、チームは単一の計測器ではなく、テスト セットアップ全体を自動化できます。「マルチインストゥルメント モードは、本当に必要な柔軟性を提供してくれます」と Julien は言います。「もうケーブルをいじる必要はありません！」マルチインストゥルメント モードに Moku:Pro ロックイン アンプと PID コントローラの計測器を導入した後、Julien はシステムの安定性が桁違いに向上したことを指摘しました。チームはまた、Moku:Pro 波形発生器を使用して正確な変調周波数を生成しました。この技術により、Julien は周波数変調分光法（2 光子分光法とも呼ばれる）を実行して、実験をさらに進めることができます。
結果
Moku:Proは、温度変化に強い高精度かつ高効率なスタビライザーを搭載しているため、ジュリアンが1年間抱えていた主な問題をわずか数秒で解決しました。さらに、チームはiPadでMoku:Proを制御できるオプションを高く評価しました。研究室のどこにでも移動してデータを記録できるため、実験台から離れて実験を観察したり、テスト結果を確認したりすることが可能になりました。「Mokuはまさに私たちが求めていたものです」とジュリアンは述べています。ジュリアンは、Moku:Proを実験の発展に活用し続ける予定で、1台のデバイスで周波数安定化を継続的に実行し、もう1台のフローティングユニットを使用して、研究室メンバーがデジタルフィルタボックス、ロックインアンプ、スペクトラムアナライザーなどの機器でマルチインストゥルメントモードでノイズを分析できるようにする予定です。