介绍
柏林洪堡大学是德国一所享有盛誉的公立大学，长期以来一直致力于支持前沿科学研究。该大学与物理学领域无数重大突破紧密相连，其杰出的校友名单中甚至包括阿尔伯特·爱因斯坦。朱利安·克鲁格是柏林洪堡大学联合实验室集成量子传感器（www.iqs.berlin）的博士候选人，他正致力于拓展该大学在突破性研究方面的辉煌成就。朱利安正在开发时间和频率参考，也就是我们常说的光钟。他与世界知名的费迪南德·布劳恩研究所密切合作，该研究所同样位于柏林，是一家以应用为导向的研究中心，负责开发和提供具有特定性能的激光光源。在德国航空航天中心（DLR）资助的一个研究项目中，朱利安希望为空间应用和全球导航卫星系统（GNSS）开发移动式光钟，以用于全球定位服务。稳定、移动式光钟的开发为推进太空导航开辟了令人振奋的新机遇，同时也为电信等关键的地面应用提供了支持。为了开展这项开创性研究，朱利安充分利用了以下方面的强大功能和灵活性： Moku:Pro （图1）。 这种基于 FPGA 的先进测试设备提供超过 15 种软件定义的仪器——从常见的工作台必需品到独特的必备仪器——甚至可以简化最高程度的实验实验室设置。 使用两台配备了 激光锁频/稳频器, 数字滤波器, 锁相放大器和 PID 控制器 Julien 通过在各种稳定装置中使用精密仪器来推进他的研究。
图 1：带有锁相放大器仪器显示屏的 Moku:Pro 设备
面临挑战
起初，朱利安和他的团队采用的是自制的模拟锁定电子设备，这是一种常见的激光锁定方法。虽然这种方法有时有效，但却极易受到各种问题的干扰，导致进展缓慢。例如，实验室温度哪怕发生轻微变化，时钟信号也会随之改变，从而干扰锁定。此外，模拟系统的配置复杂，难以调节。由于大量的测试无法自动化，精确的设置耗费了团队宝贵的时间。所有需要精确计算和细致操作的测试都必须手动完成——这是一个繁琐的过程，需要大量的人工干预。如果想要重复测试，团队就必须一遍又一遍地重新设置实验装置，并亲自记录数据。
解决方案
从手动方法切换到 Moku:Pro 后，Julien 和他的团队凭借无缝、准确地自动化测试和记录数据的新能力，节省了大量时间并加快了研究速度。 Moku:Pro 对信号进行数字解调并生成正确的频率边带，在温度设置点方面没有任何问题。 最重要的是，现在一切都由方便、可移动的设备控制 iPad的此外，经过整整一年的手动故障排除，Julien 和他的团队仍然无法找到提高时钟稳定性的最佳方法。当他们发现问题出在模拟元件中的直流噪声时，切换到数字信号链中的 Moku:Pro 就彻底解决了这个问题——而且，它还改善了与温度相关的问题。他们更改了模拟设置，转而启用 Moku:Pro 仪器。 多仪器并行模式 （图2）。 他们首先利用数字滤波器盒仪器滤除光学时钟中的噪声，然后将信号输入两个激光锁盒仪器（图 3）以生成稳定的信号。
图 2：Moku:Pro 多仪器模式激光稳定系统的设置
图 3：Moku:Pro 激光锁盒设置显示原子钟转换的数字解调响应
切换到 Moku:Pro 后，Julien 的团队变得更加高效，因为他们可以通过以下方式以编程方式访问 Moku 仪器： APIs 为了减少重复的手动测试，他们利用 Python 控制 Moku:Pro，实现测试自动化，并与软件定义的仪器进行全面交互。借助多仪器模式，团队实现了整个测试装置的自动化，而不仅仅是单个仪器。“多仪器模式为我们提供了真正需要的灵活性，”Julien 说，“我们再也不用摆弄那些线缆了！”在多仪器模式下引入 Moku:Pro 锁相放大器和 PID 控制器后，Julien 注意到系统稳定性提高了一个数量级。团队还使用 Moku:Pro 波形发生器生成精确的调制频率。这项技术使 Julien 能够进行频率调制光谱分析（也称为双光子光谱分析），从而进一步开展实验。
结果
由于 Moku:Pro 内置了高精度、高效率且耐温差的稳压器，因此在短短几秒钟内就解决了 Julien 困扰他一年的主要问题。此外，团队成员也对可以用 iPad 控制 Moku:Pro 的功能赞不绝口。他们可以方便地在实验室的任何位置移动来记录数据，从而摆脱实验台的束缚，观察实验并查看测试结果。“Moku 正是我们想要的，”Julien 说。Julien 计划继续使用 Moku:Pro 来推进他的实验，其中一台设备将持续进行频率稳定，另一台设备则作为移动单元，以便实验室成员可以使用数字滤波器盒、锁相放大器和频谱分析仪等仪器在多仪器模式下分析噪声。