宇宙から放射される放射エネルギーの約半分は、私たちの銀河系の原始星からであろうと、近傍宇宙の超高輝度銀河からであろうと、遠赤外線スペクトル範囲（30～1000μm）で検出されます。[1]このスペクトル範囲向けに設計された分光計は、極低温（1 K未満）で動作する必要があり、多くの場合、駆動とセンシングを必要とする可動部品を備えています。これまでの極低温遠赤外線宇宙天文学ミッションでは、静電容量式マイクロメトリー、誘導センシング、光エンコーディングといった様々な計測技術が採用されてきました。しかし、レーザーベースの計測システムは、極低温での展開においていくつかの利点を有しており、最も重要なのは、その技術自体の精度、統合の容易さ、低消費電力、そして幅広い適用範囲です。

ブルースカイスペクトロスコピー株式会社ブルースカイ社は、正弦波周波数変調（SFM）技術の多軸実装を開発しました。これにより、8つの独立した軸に沿った変位を、単一のレーザーと検出器のみで測定できます[2]。変位の不確かさは、プローブレーザーの安定性に依存します。幸いなことに、研究者がレーザーを安定化するために使用できる、Pound-Drever-Hall（PDH）技術などのよく知られた手法がいくつかあります。しかし、レーザーが一般的な研究室環境ではなく、宇宙で遠赤外分光法を実施し、保守する人がいない場合はどうなるでしょうか？ブルースカイの研究チームはその答えを見つけようと取り組んでいます。最近の出版物では、SFM干渉計用の新しいレーザーロック技術の開発について概説しました。研究開発を促進するために、チームは Moku:Pro再構成可能なテストおよび測定機器スイートを提供する FPGA ベースのデバイスです。

具体的には、チームは Moku PID コントローラ (NAIST) と Moku:クラウドコンパイル（すべてのMokuデバイスで利用可能なツールで、ユーザーはカスタム機能を迅速に導入できます）SFMの結果を分析し、レーザーにリアルタイムのフィードバックを提供します。このアプローチにより、レーザーの安定性が大幅に向上し、提案されているレーザー変位計測システムにとって有益な技術となりました。 NASA PRIMA この探査ミッションは、極低温で冷却された遠赤外線分光計を宇宙に配置することを目的としています。

課題

レーザー干渉法は、変位を測定するための一般的な手法です。1つのビーム経路を使用し、一方を既知の長さの基準として用い、結果として生じる干渉パターンに基づいて、もう一方の未知の経路に関する情報を抽出できます。Blue Skyチームが使用したSFM手法では、レーザー周波数が中心搬送周波数の周りで振動するように変調されます（つまり、レーザー周波数と時間のプロットは正弦波に似ています）。光路距離（OPD）の小さな変化を正確に検出するには、レーザーの搬送周波数が極めて安定していることが不可欠です。変調周波数の範囲も比較的広くなければなりません。例えば、2m未満のOPDを測定するには、変調範囲はXNUMXGHz以上である必要があります。この広い変調範囲は、レーザーのロックを困難にします。

外部共振器を用いるパウンド・ドレーヴァー・ホール（PDH）同期技術は、実験室用途で頻繁に用いられています。しかし、この技術は変調範囲が狭く、共振器の線幅内に完全に収まっている場合に最も効果を発揮します。さらに、このような高フィネス共振器は高価であるだけでなく、特殊な真空ハウジングと温度制御された環境を必要とします。従来のPDH技術は極低温の宇宙配備には不向きと考えられていたため、研究チームは代替手法を検討しました。

ソリューション

Blue Skyチームは、宇宙という過酷な環境に特化してロック技術に2つの改良点を提案しました。まず、外部空洞を、既知の基準周波数に吸収線を持つ低圧のシアン化水素（HCN）ガスセルに置き換えました。このアプローチはメンテナンスの必要性と関連コストの両方を削減しますが、吸収線の線幅が狭いという問題は依然として残りました。そこで、チームはMoku Cloud Compileを用いてエラー信号を生成する新たなロック機構を開発しました。

図1aに回路図の概要を示します。1550 nmレーザーは搬送周波数を生成し、別のFPGAによって正弦波周波数変調が行われます。ビームは光サーキュレータを通過し、20 dB方向性結合器に入ります。結合器から出射されるレーザー光の大部分は変位測定に向けられます（OPDの変化はΔΛで表されます）。ただし、ごく一部はHCNセルを通過します。

周波数変調レーザーがガスセルを通過することで生成される信号は、検出器によってデジタル化され、Moku:Pro に送信されます。Blue Sky チームは、Moku Cloud Compile 機能を使用して、独自のカスタム手順を実行し、エラー信号を生成しました。この信号処理手順の目的は、検出器からのデジタル化された信号を取得し、それを PID コントローラーに送られるエラー信号に変換することです。このために、まず検出された信号の導関数が計算され、レーザー周波数が HCN 吸収線の中心を通過するときにゼロ交差が生成されます。次に、これらのゼロ交差のデューティサイクルが、信号が線の両側に費やす時間に基づいて計算されます。デューティサイクルの公称値 50% からの偏差がエラー信号の基礎となり、これが Moku PID コントローラーに渡されてアクティブフィードバックループを形成します。このエラー信号計算方法により、チームは、わずか 3 GHz の線幅を持つガスセル基準にレーザーをしっかりとロックしたまま、0.2 GHz の広範囲にわたって搬送波を周波数変調することができました。

図 1: 実験のセットアップ。(a) ガスセルリファレンスと Moku Cloud Compile を使用したマルチステップ分析手順を備えたレーザーロックシステム。(b) デバッグ用の Moku オシロスコープと、エラー信号を事前フィルタリングするための Moku デジタルフィルタボックスを備えたマルチインストゥルメントモードのセットアップ。

FPGAプログラミングは通常、複雑で時間のかかる作業ですが、Moku Cloud Compileは、Mokuハードウェア上でカスタムコードの作成と展開のプロセスを効率化します。Blue SkyのChristiansen博士は、Moku Cloud Compileのラピッドプロトタイピングプロセスが信号処理と解析に非常に役立ったと述べています。「このプロジェクトには特にMoku:Proを推奨しました」とChristiansen博士は述べています。「他の機器は2025年のニーズを考慮して設計されていませんでした。」

「自分で定型的なコードを書く必要はなく、ただ実行するだけです」と彼は言います。「Moku:Proを使えば、新しいアイデアを簡単にテストして、最終的に自社のFPGAプラットフォームに統合するキャリブレーション戦略を模索することができます。」

MokuクラウドコンパイルとMoku PIDコントローラが実験のフィードバックループのバックボーンを形成したが、研究グループはMokuなどのデバッグツールも使用した。オシロスコープ、そしてMoku デジタルフィルターボックス信号を前処理するためのものです。チームのマルチI楽器モード構成を図1bに示します。

結果

改良されたフィードバックループを導入した研究チームは、1312.6 nmのHF周波数安定化レーザー検証システム（HFV）を基準として、レーザーロック方式の評価を試みました。HFVを導入することで、チームはHFVシステムと比較した変位測定の差を計算することで、フリーランニング干渉計とロック解除干渉計の精度を体系的に評価することができました。その結果、相対誤差はフリーランニング干渉計の場合の約3 ppmからロック解除干渉計の場合の0.04 ppmに減少することが分かりました。これは大気の屈折率とほぼ同等の不確実性レベルです[3]。

ブルースカイ社は干渉計の精度を4桁向上させ、システムの商用化に積極的に取り組んでおり、銀河の形成から惑星とその大気の構成に至るまでのテーマを調査するための遠赤外線分光技術の開発を目指すNASAのPRIMAミッションを含む将来の宇宙探査機に採用されることを期待しています[XNUMX]。

クリスチャンセン博士は、「このプロジェクトの結果、Moku:Proは私のお気に入りの test 測定ツールです。」

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参考情報

[1] ハウザー、MGとドゥエック、E.、「宇宙赤外線背景放射：測定とその意味」、天文学と天体物理学の年次レビュー39（1）、249307（2001）。

[2] A. Christiansen、D. Naylor、B. Gom、「極低温距離分解レーザー干渉計の多軸応用」Photonic Instrumentation Engineering X、12428:124280Z とします。 doi：10.1117 / 12.2647283.

[3] AJ Christiansen、DA Naylor、MA Buchan、BG Gom。「FMCWシステムのための新しいレーザー周波数安定化技術」 SPIE 13373 光子計測 エンジニアリングXII, 133730C。（2025）。 doi：10.1117 / 12.3040732.

[4] カリフォルニア工科大学 https://prima.ipac.caltech.edu/.

謝辞

このプログラム or プロジェクト or この活動はカナダ宇宙庁の財政支援を受けて行われます。