製品概要
重力天体物理学センター/OzGravでは オーストラリア国立大学, アンドリュー・ウェイド博士 チームは、長距離高精度レーザーセンシングプロジェクトで使用するための超安定周波数基準源を開発しています。Moku:Proの レーザーロックボックス FPGA ベースのデジタル実装により、ロックとチューニングのパラメータを簡単に取得でき、以前のカスタム設定に比べて、よりアクセスしやすく堅牢なソリューションを実現できます。
課題
ANUの研究者たちは、宇宙空間におけるレーザーセンシング技術の開発において、レーザー周波数の非常に精密な測定と制御に依存している。例えば軌道上の衛星間など、長距離にわたってレーザーを用いて測定を行う場合、レーザー周波数のわずかな変化でも、測定に大きな不確実性やノイズが生じる。レーザーの周波数を決定し、その周波数の時間的変動を抑制することが、ANUの研究の鍵となる。さらに、各レーザーと周波数基準（共振器）がカスタム仕様であるため、制御システムを各構成に合わせて調整する必要があるという課題もある。ウェイド博士によれば、「アナログ回路は帯域幅とループ遅延においていくつかの利点があるが、一般的にオフセット、環境によるドリフト、および不要なクロスカップリングの影響を受けやすい。また、ロックとチューニングループパラメータを取得する方法も問題となる。これは多くの場合、手動で行うプロセス、つまり物理的にスイッチを切り替えたり、フロントパネルのノブでチューニングしたりするプロセスで行われる。」市販されているレーザーロック装置の選択肢が非常に限られているため、ほとんどの研究室は性能上の理由から独自の装置を製作しており、これらの装置の構築と維持に多大な費用がかかっている。
図１：レーザーを１０万フィネスの基準共振器にロックするオーストラリア国立大学研究所のセットアップ
ウェイド博士と彼のチームは、市販されている最高のフィネスキャビティを使用していますが、これはさらなる課題をもたらします。100,000フィネスキャビティの非常に狭い共鳴は、 パウンド・ドレバー・ホール (PDH) エラー信号が非常に小さいため、ロックを取得することが困難になります。
解決策
デジタル実装 Moku:Proの Laser Lock Boxは、アナログ回路設計アプローチの多くの欠点を解消します。FPGAベースのアーキテクチャにより、異なるレーザーや基準に合わせて再構成が可能になり、リアルタイムのパラメータ調整とエラーおよび制御信号の可視化により、ループ設計の最適化プロセスがはるかに簡単になります。統合されたキャビティロックユニットであるMoku:Proは、直感的なユーザーインターフェースを提供し、フィードバックコントローラのロックと調整をはるかに容易にすると同時に、複雑さと潜在的な故障箇所を削減します。「断線した配線のデバッグやPCBへの半田付けによる修理は、もはや過去のものになりそうです」とウェイド博士は述べています。「デジタル化、復調、周波数整形、アクチュエータのブレンドといったすべての要素が1つのユニットで行われるため、設置と稼働が迅速に行えます。」
図2: レーザーロックボックスのiPadインターフェースブロック図とエラー信号と制御信号を示す中間プローブポイント Moku:Proのマルチ計測モードを利用することで、レーザーロックボックスでレーザーを光キャビティにロックしながら、ボード線図測定を行うことができます。 周波数応答アナライザ (FRA) は、追加のテスト機器や配線なしで使用できます。FRA は、エラー信号に外乱を注入してシステムの伝達関数を測定し、閉ループ ゲインと位相マージン、およびループの外乱除去パフォーマンスをチェックします。研究者は、FRA と Laser Lock Box をすばやく切り替えて PID パラメータを調整し、ループ パフォーマンスを最適化して安定性を確保し、外乱抑制を最大化できます。
図3: 研究者は、マルチ計測器モードの周波数応答アナライザを使用して、ボード線図上で制御ループの位相余裕を測定します。 ANU から Liquid Instruments へのフィードバックを受けて、Laser Lock Box に復調不要の入力が追加され、Moku:Pro の標準機器スイートを使用してカスタム レーザー共振器読み出し方式を実装できるようになりました。この新機能により、独自のカスタム システムを構築する必要がなくなり、大幅な時間短縮が実現し、Moku:Pro のソフトウェア定義アプローチの利点が際立ちました。周波数安定性とループ特性に関するデータを収集した後、研究者はそれを保存してエクスポートし、文書化、出版、オフライン モデリングに使用します。Moku:Pro の Wi-Fi 接続により、これをリモートで迅速に実行できます。レーザー周波数安定性データは、ストレージのサイズによってのみ制限される非常に長いログ時間にわたって連続的に記録できます。
結果
Moku:Pro の機能と柔軟性の組み合わせにより、オーストラリア国立大学はカスタム システムの構築と保守にかかる諸経費を回避しながら、迅速に稼働を開始することができました。 「レーザーロックのために Moku:Pro に切り替えることで、セットアップにかかる時間が大幅に節約され、直感的なユーザーインターフェイスにより、パラメーターの調整がより簡単になりました。」とWade 博士は述べています。このソリューションは再構成とアップグレードが可能であるため、宇宙ベースのレーザーセンシング技術の研究を継続する際の新しい実験にも確実に適応できます。