Moku:Pro를 통한 푸리에 변환 초고속 분광학 발전

푸리에 변환 초고속 분광법(FTUS)은 과학자들이 탁월한 속도와 정밀도로 스펙트럼을 획득하고 분석하는 방식을 혁신적으로 변화시킨 강력한 기술입니다. 푸리에 변환의 원리를 활용하는 FTUS는 기준 신호와의 간섭 방식을 통해 복잡한 신호를 주파수 성분으로 효율적으로 분해합니다. 이 방법을 통해 개별 파장이나 주파수를 스캔할 필요 없이 모든 관련 주파수 정보를 동시에 포함하는 포괄적인 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 파장에 따른 빛의 강도를 측정하기 위해 프리즘이나 회절 격자를 사용하는 기존의 분산 분광법과 달리, FTUS는 연속 스캔의 한계에서 벗어나 다양한 과학 및 공학 분야에서 필수적인 도구로 자리매김했습니다. 완전한 스펙트럼을 빠르고 정확하게 획득할 수 있는 능력은 FTUS의 가장 큰 장점이며, 신속한 데이터 수집, 높은 스펙트럼 해상도, 그리고 미약한 신호까지 높은 감도로 검출할 수 있는 능력과 같은 이점을 제공합니다. FTUS는 재료 특성 분석부터 생물학 연구에 이르기까지 정밀한 스펙트럼 분석이 과학 발전에 필수적인 다양한 분야에 그 영향력을 미치고 있습니다. 우한에 있는 중국과학원 연구팀은 이를 활용하고 있습니다. Moku:Pro는 일반적인 벤치 필수품부터 고유한 필수 장비에 이르기까지 15개 이상의 소프트웨어 정의 장비를 제공하여 가장 실험적인 실험실 설정도 간소화하는 고급 FPGA 기반 테스트 장비입니다. 사용하여 락인 증폭기 Moku 클라우드 컴파일, ShaoGang Yu 박사는 다양한 안정화 설정에 정밀 기기를 사용하여 팀의 연구를 발전시켰습니다.

FTUS 기술은 효과적임에도 불구하고, 고감도, 고해상도, 고효율 기술을 개발하기 위한 연구는 여전히 연구자들의 끊임없는 과제입니다. FTUS 기술의 핵심은 간섭계 암의 길이에 있는데, 이는 기계적 진동이나 기류와 같은 환경적 잡음에 민감합니다. 사소한 교란조차도 광경로 길이와 간섭 위상에 변화를 일으켜 신호 측정 감도와 신호 대 잡음비(SNR)에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 안정적인 간섭계 암 길이 고정 메커니즘을 구현하는 것은 FTUS 기술 발전에 필수적입니다. 현재 연구는 FTUS 여기 레이저와 동축으로 전파되는 기준 레이저를 활용하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 기준 레이저의 간섭 무늬 떨림을 정밀하게 모니터링하고 고정함으로써 원하는 간섭계 암 길이 안정성을 얻을 수 있습니다. 그러나 기준 레이저는 간섭계 암 길이 안정화에 중요한 역할을 하지만, 시료를 여기시키는 데 사용할 수 없다는 중요한 문제가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 실험에서는 여기 레이저와 파장이 상당히 다른 기준 레이저를 사용하는 것이 일반적입니다. 하지만 이러한 해결책은 주목할 만한 단점을 가지고 있는데, 바로 기준 레이저와 여기 레이저 간에 위상 변동이 상당히 크다는 점입니다. 이러한 차이는 FTUS 기술의 성능 지표 향상과 광범위한 응용을 심각하게 제약하며, 연구자들이 복잡한 실험과 실제 응용 분야에서 최적의 결과를 얻기 위해 방법론을 혁신하고 개선하도록 촉구합니다.

이 문제를 해결하기 위해 정밀측정과학기술혁신아카데미 연구원인 유 교수와 그의 팀은 다음과 같은 방법을 활용했습니다. 다중 장비 모드 매우 안정적인 기준 레이저와 함께 Moku:Pro용. Lock-in Amplifier를 사용하여 실시간 간섭 위상 측정을 복조하고 Moku Cloud Compile을 사용하여 사용자 정의 알고리즘을 구현했습니다. 이 기능은 사용자가 장치 내 FPGA에 액세스하여 사용자 정의 기능을 활성화할 수 있도록 하는 모든 Moku 제품에 사용할 수 있는 기능입니다. Moku Cloud Compile을 사용하면 사용자는 웹 브라우저를 사용하여 원하는 코드를 작성하고 클라우드에서 컴파일한 다음 앱에 있는 하나 이상의 Moku 장치에 비트스트림을 배포하기만 하면 됩니다. 완전한 유연성을 위해 사용자는 HDL로 코드를 작성할 수 있습니다. 예또는 Simulink, MATLAB, HDL Coder와 같은 호환 도구를 사용하여 작업할 수도 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 Yu 교수는 위상을 실시간으로 변환하여 모든 파장에서 정밀한 위상 측정이 가능하고 원활한 데이터 수집 및 기록이 가능했습니다. 이 솔루션은 레이저 파장의 현저한 차이로 인해 발생하는 위상 지터 문제를 성공적으로 해결하여 궁극적으로 고감도, 고해상도, 고효율 FTUS 기술의 발전을 가능하게 했습니다. 특히, 이 간소화된 프로세스는 위상 측정, 위상 변환 및 포괄적인 데이터 수집과 같은 모든 측면에서 Moku:Pro의 다재다능한 다중 기기 모드 기능을 완벽하게 활용하기 때문에 단 하나의 Moku:Pro 장치만으로 구현 가능합니다. 이 측정 방법의 개발은 FTUS 기술의 지속적인 발전에 있어 중요한 이정표가 되며, 잠재적 응용 분야를 크게 확장합니다. 이 방법은 물리학, 화학, 생물학, 천문학 연구를 포함한 다양한 과학 분야에 걸쳐 막대한 가치와 향후 획기적인 발전을 위한 유망한 전망을 제시합니다. 그림 1과 그림 2는 다중 기기 모드 및 록인 증폭기 구성에 대한 설정을 보여줍니다. 이 시스템에서 록인 증폭기와 Moku 클라우드 컴파일은 함께 위상 변환을 수행합니다. 그 후, 슬롯 3에 있는 두 번째 록인 증폭기가 변환된 위상 신호를 사용하여 입력 신호를 복조합니다. 이렇게 복조된 데이터는 수집됩니다. 데이터 로거 처리를 위해 슬롯 4에 있습니다. 이 연구는 Moku Cloud Compile로 구현된 FTUS 분야를 발전시키기 위한 새로운 알고리즘으로 이어졌습니다.

그림 3에 제시된 복조 데이터에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한 후 팀은 SNR이 높은 정확한 스펙트럼을 성공적으로 얻었습니다(그림 4 참조). 이 고정밀 스펙트럼은 분석 중인 입자의 물리적 특성을 나타냅니다. 그림 4에서 파란색 선은 목표 파장보다 74nm 차이 나는 700nm 파장의 레이저를 사용하여 획득한 데이터를 나타냅니다. 반면 빨간색 선은 800nm ​​파장의 레이저를 사용하여 복조한 데이터를 나타냅니다. 빨간색 선은 파란색 선에 비해 더 높은 SNR을 보여줍니다. 이러한 향상은 빨간색 선에 사용된 레이저의 파장이 목표 파장에 48nm 더 가깝기 때문에 최종 결과에서 위상 왜곡이 감소했기 때문입니다. Moku:Pro의 위상 변환 기능을 활용하면 연구자들은 복조 신호의 파장을 목표 파장에 가깝게 정밀하게 조정할 수 있습니다. 결과적으로 SNR이 더욱 향상되어 미약 신호 탐지 및 고잡음 환경에서의 작동에 상당한 이점을 제공합니다. 이는 Moku:Pro가 FTUS 분야를 발전시킬 수 있는 역량과 잠재력을 보여줍니다. 유 교수는 연구팀의 성과를 되돌아보며 Moku:Pro의 성능과 유연성을 극찬했다. 그는 "Moku:Pro는 록인 앰플리파이어와 같은 강력한 소프트웨어 정의 계측기를 제공할 뿐만 아니라, 멀티 계측기 모드와 Moku 클라우드 컴파일을 통해 전례 없는 유연성을 제공합니다."라고 말하며, "이 두 가지 기능의 조합 덕분에 과거에는 매우 어려웠던 실험들을 완료할 수 있었습니다."라고 덧붙였다.

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