ニーラジ・プラケシュ、大学院研究助手 コロラド大学ボルダー校と彼のチームは、新しいレーザー光源の開発と、光の定規のような役割を果たす等間隔の線で構成された光スペクトルである周波数コムの開発拡大に熱心に取り組んでいます。研究者らは、新しい対向伝搬全正常分散（CANDi）ファイバーレーザー[1]など、さまざまなアプリケーション向けに波長の大きく異なるレーザー光源の開発に何年も費やしてきました。CANDiは、ほぼ同一の周波数コムを反対方向にXNUMXつ生成できるシングルキャビティのデュアルコムレーザー光源で、不安定なタイミングジッターに対処するために必要な機器の量を大幅に削減できます。この発見は、イメージング、分光法、リモートセンシング、光検出および測距（LiDAR）など、さまざまなデュアルコムアプリケーションに役立ちます。
CANDiファイバーレーザーを実装するために、Neerajはソフトウェア定義の PIDコントローラー, 波形発生器, ロックインアンプ Moku:Labによって実現された計測機器に加え、光スペクトルアナライザーなどの他の実験機器も利用できる。
Moku:Labは、テストおよび計測ニーズに対応するソフトウェア定義型計測器のあらゆる機能を1つのデバイスで提供するため、Neeraj氏とそのチームは、この汎用性の高いソリューションを複数のプロジェクトで活用できる。 Moku:Lab Moku:Labは、FPGAのデジタル信号処理能力と、汎用性が高く低ノイズなアナログ入出力を組み合わせた、再構成可能なハードウェアプラットフォームです。ソフトウェア定義機能により、Moku:Labは14種類以上のテスト機器を提供できます。マルチ機器モード（MiM）を使用すると、複数の機器を組み合わせ、ロスレスな相互接続で同時に動作させることができます。
課題
周波数コムを生成する際には、レーザーパルス間のタイミングを一定に保つことが不可欠です。レーザーパルスのタイミングにわずかな変動があると、システムに問題のあるジッターやタイミングエラーが発生する可能性があります。LiDARなどのデュアルコムアプリケーションでは、レーザーは高解像度と高速の両方を備え、ノイズがほとんどないかまったくないことが求められます。通常、これらの値の間にはトレードオフがあり、低解像度で高速を実現するか、その逆になります。Neeraj氏と彼のチームは、システムノイズに対処する新しい方法としてCANDiファイバーレーザーを開発しました。この革新的な方法では、1つのファイバーレーザーが反対方向に2つの周波数コムを生成します。タイミングエラーや周波数ドリフトがあっても、レーザーは互いに安定した状態を維持します。この動的な方法により、システムのタイミングエラーが大幅に削減され、追加の安定化エレクトロニクスの必要性も軽減されました。CANDiを実装するために、Neeraj氏と彼のチームは、基準信号を生成する波形発生器と、周波数コムのパルスのタイミングをロックするPIDコントローラを必要としました。彼らは当初アナログPIDコントローラを使用しましたが、コントローラの周波数応答がわからないままパラメータを実験的に調整する必要がありました。
信号解析を行う際、Neeraj氏は各実験を手動で実行し、データを記録、エクスポートした後、高速フーリエ変換（FFT）を実行して周波数領域で結果を表示していました。この面倒なプロセスには貴重な時間がかかっており、チームは理想的なゲインプロファイルを見つけるまでパラメータを繰り返しテストする必要がありました。しかし、Moku:Labを使えば、Neeraj氏は周波数応答とグラフをリアルタイムで表示できるため、作業が大幅に加速します。「Mokuのおかげで、リアルタイムで周波数領域解析ができるようになりました」とNeeraj氏は言います。「これは非常に時間を節約できます。」
ソリューション
Moku:Labで、Neerajと彼のチームは、デュアルコムアプリケーションでフレームレートを向上させるインテリジェントな方法であるダイナミックCANDiを開発しました。この進化により、従来のレーザーソースで通常伴う高速性と解像度のトレードオフが解消されました。Moku:Labに切り替えることで、Neerajはソフトウェア定義の PIDコントローラー レーザー周波数を緩やかにロックすることで、ジッターを最小限に抑えます。アナログ回路をMoku:Labに置き換えることで、チームはゲインプロファイルを簡単に設定し、伝達関数の周波数応答をMokuアプリで確認できるようになりました。この方法により、パラメータの調整、システム応答の確認、信号の変化のリアルタイム監視が可能になったため、時間のかかる推測作業も不要になりました。研究者たちは、Moku:Labロックインアンプが検討した他のモデルよりもはるかに優れた帯域幅を持っていることに気付いた後、このデバイスを他の実験にも導入しました。実際、Mokuデバイスの汎用性の高さから、研究室のメンバーは自分の研究でMoku:Labを使いたいと常に順番待ちをしています。「率直に言って、Moku:Labは私たちの研究室で非常に人気があります」とNeeraj氏は述べています。「いつでもみんながMoku:Labを使おうと争っています。私たちのグループでは非常に人気があります。」さらに、すべてのMokuデバイスはマルチインストゥルメントモードを提供しているため、チームはMoku:Labを使用してセットアップをさらに最適化できるようになりました。 波形発生器, PIDコントローラー, オシロスコープ, スペクトラムアナライザ今では、たった 1 つの機器で、チームは基準信号を作成し、ゲイン プロファイルを設定し、周波数応答をすべてリアルタイムで表示できます。
結果
Neerajは、実験の効率を高めると同時に、Moku:Labが研究室の物理的なセットアップの最適化にも役立つことを発見した。「スペースを節約できる」と彼は言う。「これらの分析を行うために、複数のものを積み重ねる必要がない。機器を切り替えるだけで済む」。Moku:Labは、Neerajの動的CANDiレーザーに関する研究を引き続き支援する。今後、NeerajはMoku:Lab PIDコントローラーを使い続け、同僚は他のソフトウェア定義機器を使用する予定だ。 レーザーロックボックス彼は内蔵のデータロガーを使ってSDカードにデータを素早く記録できるため、結果の取得にかかる時間と労力を節約できます。チームは今後もMoku:Labを、カスタムFPGAプログラミングを含む様々な用途のプロジェクトで活用していく予定です。 Mokuクラウドコンパイル ユーザーは、Mokuデバイス内のFPGAにビットストリームをコーディング、コンパイル、展開して、カスタム機能を有効にし、複雑な信号処理パイプラインを構築できます。 ChatGPTを使用してカスタムVHDLを記述することに、チームは強い関心を示しました。彼らは今後数年間、研究室でさまざまなアプリケーションにおいてこの機能をテストする予定で、Moku:ProおよびMoku:Goデバイスも幅広いテストに活用します。Neeraj氏とその同僚は、Moku:Labを活用して、今日知られている最先端のレーザー光源の開発を進めてきました。チームが最近開発した高エネルギー単一共振器デュアルコムダイナミックCANDiファイバーレーザーにより、セキュリティスクリーニング用のテラヘルツイメージングなど、多くの産業で劇的な改善が期待されています。コロラド大学ボルダー校の別の研究室では、医薬品や水質モニタリングへの応用を視野に入れ、ラマン分光法用のレーザーを実験しています。【2]詳しくは、 顕微鏡および分光法のアプリケーション.
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参考情報
[1] B. Li、N. Prakash、SW Huang、「自己始動型低ノイズ逆伝搬型全正常分散（CANDi）ファイバーレーザー」、2022年レーザーおよび電気光学会議（CLEO）、米国カリフォルニア州サンノゼ、2022年、pp. 1-2。 [2] E. Adams、「研究者らが簡略化されたデュアルコム分光法の商業化で大きな進歩を遂げる」、Electrical, Computer & Energy Engineering、https://www.colorado.edu/ecee/2022/08/30/researchers-make-strides-commercializing-simplified-dual-comb-spectroscopy（2023年8月24日アクセス）。