니라즈 프라케시, 대학원 연구 조수 콜로라도 대학교, 볼더, 그리고 그의 팀은 새로운 레이저 소스를 개발하고 빛의 눈금자 역할을 하는 등거리 선으로 구성된 광학 스펙트럼인 주파수 빗살의 개발을 확대하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 연구원들은 수년 동안 다양한 응용 분야에 맞게 파장이 매우 다양한 레이저 소스를 개발해 왔으며, 여기에는 새로운 역전파 전정규분산(CANDi) 파이버 레이저[1]도 포함됩니다. CANDi는 단일 공동, 듀얼 빗살 레이저 소스로 반대 방향으로 거의 동일한 주파수 빗살 두 개를 생성할 수 있어 불안정한 타이밍 지터를 해결하는 데 필요한 장비의 양을 획기적으로 줄여줍니다. 이 발견은 이미징, 분광학, 원격 감지, 광 감지 및 거리 측정(LiDAR)을 포함한 다양한 듀얼 빗살 응용 분야에 도움이 됩니다.
CANDi 파이버 레이저를 구현하기 위해 Neeraj는 소프트웨어 정의를 활용합니다. PID 컨트롤러, 파형 발생기예산 및 락인 증폭기 Moku:Lab을 통해 구현되는 계측 장비와 광 스펙트럼 분석기 등의 기타 실험 장비.
Moku:Lab은 하나의 장치에서 테스트 및 측정 요구 사항에 필요한 모든 소프트웨어 정의 계측기를 제공하기 때문에 Neeraj와 그의 팀은 여러 프로젝트에서 이 다재다능한 솔루션을 활용할 수 있습니다. Moku:Lab FPGA의 디지털 신호 처리 성능과 다재다능하고 저잡음 아날로그 입출력을 결합한 재구성 가능한 하드웨어 플랫폼입니다. 소프트웨어 정의 기능을 통해 Moku:Lab은 14개 이상의 테스트 장비를 제공합니다. 다중 장비 모드(MiM)를 사용하면 여러 장비를 결합하여 손실 없이 상호 연결하여 동시에 실행할 수 있습니다.
난제
주파수 콤을 생성할 때 레이저 펄스 간의 일관된 타이밍을 유지하는 것이 필수적입니다. 레이저 펄스 타이밍의 미세한 변동도 시스템에 문제가 되는 지터와 타이밍 오류를 유발할 수 있습니다. LiDAR와 같은 듀얼 콤 애플리케이션에서는 레이저가 높은 해상도와 빠른 속도를 모두 갖추면서도 노이즈가 거의 없어야 합니다. 일반적으로 이러한 값들 사이에는 상충 관계가 존재합니다. 즉, 낮은 해상도를 위해 높은 속도를 달성하거나 그 반대로 해야 합니다. 네라즈와 그의 팀은 시스템 노이즈 문제를 해결하기 위한 새로운 방법으로 CANDi 파이버 레이저를 개발했습니다. 이 혁신적인 방식을 통해 하나의 파이버 레이저는 서로 반대 방향으로 두 개의 주파수 콤을 생성합니다. 타이밍 오류와 주파수 드리프트가 존재하더라도 레이저는 서로에 대해 안정화된 상태를 유지합니다. 이 동적 방식은 시스템의 타이밍 오류를 크게 줄이는 동시에 추가적인 안정화 전자 장치의 필요성을 감소시킵니다. CANDi를 구현하기 위해 네라즈와 그의 팀은 기준 신호를 생성하는 파형 발생기와 주파수 콤 펄스의 타이밍을 고정하는 PID 컨트롤러가 필요했습니다. 처음에는 아날로그 PID 컨트롤러를 사용했지만, 컨트롤러의 주파수 응답을 알지 못한 채 실험적으로 파라미터를 조정해야 했습니다.
신호 분석을 수행할 때, 네라즈는 각 실험을 수동으로 실행하고, 데이터를 기록하고, 내보낸 다음 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 주파수 영역에서 결과를 확인했습니다. 이 번거로운 과정은 귀중한 시간을 소모했는데, 팀은 이상적인 게인 프로파일을 찾을 때까지 매개변수를 반복적으로 테스트해야 했기 때문입니다. 하지만 Moku:Lab을 사용하면서 네라즈는 주파수 응답과 그래프를 실시간으로 확인할 수 있게 되어 작업 속도가 크게 향상되었습니다. 네라즈는 "Moku 덕분에 실시간 주파수 영역 분석이 가능해졌습니다."라고 말하며, "덕분에 시간을 많이 절약할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.
해법
Moku:Lab을 통해 Neeraj와 그의 팀은 듀얼 콤브 애플리케이션에서 프레임 속도를 높이는 지능형 방법인 동적 CANDi를 개발했습니다. 이러한 진화는 기존 레이저 소스와 일반적으로 관련된 고속과 해상도 간의 상충 관계를 제거합니다. Moku:Lab으로 전환함으로써 Neeraj는 소프트웨어 정의를 활용할 수 있었습니다. PID 컨트롤러 레이저 주파수를 느슨하게 고정하여 지터를 최소화했습니다. 아날로그 전자 장치를 Moku:Lab으로 교체함으로써, 연구팀은 Moku 앱에서 게인 프로파일을 쉽게 설정하고 전달 함수의 주파수 응답을 확인할 수 있게 되었습니다. 이 방법을 통해 매개변수를 조정하고 시스템 응답을 확인하며 신호 변화를 실시간으로 관찰할 수 있게 되어, 시간 소모적인 추측 작업을 없앨 수 있었습니다. 연구팀은 Moku:Lab 록인 증폭기가 기존에 고려했던 다른 모델보다 훨씬 우수한 대역폭을 제공한다는 사실을 확인한 후, 추가 실험에도 이 장치를 활용했습니다. 실제로 Moku 장치의 다재다능함 덕분에 연구실 구성원들은 종종 자신의 연구에 Moku:Lab을 사용하기 위해 경쟁합니다. Neeraj는 "솔직히 말해서, Moku:Lab은 우리 연구실에서 수요가 매우 높습니다."라고 말했습니다. "언제든 사용하려고 경쟁할 정도로 우리 그룹에서 인기가 많습니다." 또한 모든 Moku 장치는 다중 기기 모드를 제공하므로, 연구팀은 Moku:Lab을 통해 설정을 더욱 최적화할 수 있습니다. 파형 발생기, PID 컨트롤러, 오실로스코프예산 및 스펙트럼 분석기. 이제 장비 하나만 있으면 팀은 참조 신호를 만들고, 이득 프로필을 설정하고, 주파수 응답을 모두 실시간으로 볼 수 있습니다.
결과
Neeraj는 실험 효율성을 높이는 동시에 Moku:Lab이 실험실의 물리적 환경 최적화에도 도움이 된다는 것을 발견했습니다. 그는 "공간을 절약할 수 있습니다."라고 말하며, "분석을 위해 여러 장비를 쌓아둘 필요가 없습니다. 장비만 바꿔가며 사용할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다. Moku:Lab은 앞으로도 Neeraj의 동적 CANDi 레이저 연구를 지원할 예정입니다. Neeraj는 Moku:Lab PID 컨트롤러를 계속 사용할 것이며, 그의 동료들은 다른 소프트웨어 정의 장비들을 활용할 것입니다. 레이저 락 박스그는 내장된 데이터 로거를 사용하여 SD 카드에 데이터를 빠르게 기록할 수 있어 결과 수집 시 시간과 노력을 절약할 수 있습니다. 팀은 향후 맞춤형 FPGA 프로그래밍을 포함한 다양한 응용 분야의 프로젝트에서 Moku:Lab을 계속 사용할 계획입니다. Moku 클라우드 컴파일 사용자가 Moku 장치 내부의 FPGA에 비트스트림을 코딩, 컴파일 및 배포하여 사용자 정의 기능을 활성화하고 복잡한 신호 처리 파이프라인을 구축할 수 있도록 합니다. 웹 세미나 ChatGPT를 사용하여 사용자 정의 VHDL을 작성하는 기능에 팀원들은 큰 관심을 보였습니다. 그들은 향후 수년간 연구실에서 다양한 응용 분야에 이 기능을 적용하여 테스트할 계획이며, Moku:Pro 및 Moku:Go 기기를 활용하여 광범위한 테스트를 진행할 예정입니다. 니라즈와 그의 동료들은 Moku:Lab을 기반으로 오늘날 알려진 가장 최첨단 레이저 소스들을 개발해 왔습니다. 최근 개발된 고에너지 단일 공진기 이중 콤 동적 CANDi 파이버 레이저는 보안 검색을 위한 테라헤르츠 이미징과 같은 여러 산업 분야에서 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대됩니다. 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 또 다른 연구실에서는 제약 및 수질 모니터링 분야에 적용될 수 있는 라만 분광법에 이 레이저를 활용하는 실험을 진행하고 있습니다.[2]더 자세히 알아보려면 더 깊이 파고들어보세요. 현미경 및 분광학 응용 분야.
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참고자료
[1] B. Li, N. Prakash 및 SW Huang, “자체 시동 및 저잡음 역전파 전정상분산(CANDi) 파이버 레이저,” 2022 레이저 및 전기광학 컨퍼런스(CLEO), 미국 캘리포니아주 산호세, 2022, 1-2쪽. [2] E. Adams, “연구원들이 간소화된 이중 콤 분광법의 상용화에 진전을 이루다,” 전기, 컴퓨터 및 에너지 공학, https://www.colorado.edu/ecee/2022/08/30/researchers-make-strides-commercializing-simplified-dual-comb-spectroscopy (2023년 8월 24일 접속).