尼拉杰·普拉克什，研究生助理 科罗拉多大学博尔德分校和他的团队正在努力开发新的激光源，扩大频率梳的开发。频率梳是一种由等距线组成的光谱，就像光的标尺一样。研究人员花了数年时间开发用于不同应用的波长范围广泛的激光源，包括一种新型反向传播全正常色散 (CANDi) 光纤激光器[1]。CANDi 是一种单腔双梳激光源，可以产生两个几乎相同的相反方向的频率梳，大大减少了对抗不稳定时序抖动所需的设备数量。这一发现有利于一系列双梳应用，包括成像、光谱、遥感以及光检测和测距 (LiDAR)。
为了实现 CANDi 光纤激光器，Neeraj 利用软件定义的 PID 控制器, 波形发生器和 锁相放大器 由 Moku:Lab 支持的仪器，以及其他实验室设备，例如光谱分析仪。
由于 Moku:Lab 在一个设备中提供了满足测试和测量需求的全套软件定义仪器，Neeraj 和他的团队可以依靠这个多功能的解决方案来完成多个项目。 Moku:Lab Moku:Lab 是一个可重构硬件平台，它将 FPGA 的数字信号处理能力与多功能、低噪声的模拟输入输出功能相结合。其软件定义功能使 Moku:Lab 能够提供 14 台以上的测试仪器。借助多仪器模式 (MiM)，用户可以组合多台仪器，实现无损互连，同时运行。
面临挑战
在生成频率梳时，保持激光脉冲间时间的一致性至关重要。激光脉冲时间的微小变化都会导致系统出现抖动和时间误差。在诸如激光雷达（LiDAR）之类的双梳应用中，激光器必须同时具备高分辨率和高速度，且噪声极低甚至没有噪声。通常，这两者之间存在权衡：要么以低分辨率实现高速度，要么反之。Neeraj 和他的团队开发了 CANDi 光纤激光器，作为一种对抗系统噪声的新方法。利用这种创新方法，一台光纤激光器可以生成两个方向相反的频率梳。即使存在时间误差和频率漂移，这两个激光器也能保持彼此稳定。这种动态方法大大降低了系统中的时间误差，同时减少了对额外稳定电子设备的需求。为了实现 CANDi，Neeraj 和他的团队需要一个波形发生器来产生参考信号，以及一个 PID 控制器来锁定频率梳脉冲的时间。他们最初使用的是模拟 PID 控制器，但由于不知道控制器的频率响应，只能通过实验来调整参数。
在进行信号分析时，Neeraj 需要手动运行每个实验，记录数据，导出数据，然后进行快速傅里叶变换 (FFT) 以在频域中查看结果。这个繁琐的过程耗费了大量宝贵时间，因为团队必须反复测试参数，直到找到理想的增益曲线。但有了 Moku:Lab，Neeraj 可以实时查看频率响应和图表，大大加快了工作进度。“Moku 为我提供了实时频域分析，”Neeraj 说，“这节省了我大量时间。”
解决方案
借助 Moku:Lab，Neeraj 和他的团队开发了动态 CANDi，这是一种在双梳应用中提高帧速率的智能方法。这一发展消除了传统激光源通常存在的高速度和分辨率之间的权衡。通过切换到 Moku:Lab，Neeraj 可以利用软件定义的 PID 控制器 为了对激光频率进行松散锁定，从而最大限度地减少抖动，研究团队使用 Moku:Lab 取代了模拟电子器件，从而能够轻松设置增益曲线并查看传递函数的频率响应——所有操作均可在 Moku 应用程序中完成。这种方法还省去了耗时的猜测环节，因为他们现在可以调整参数、查看系统响应并实时观察信号变化。研究人员还将该设备应用于其他实验中，尤其是在意识到 Moku:Lab 锁相放大器的带宽远优于他们考虑过的其他型号之后。事实上，由于 Moku 设备的多功能性，实验室成员经常争相使用它进行自己的研究。“坦白说，Moku:Lab 在我们实验室非常抢手，”Neeraj 说。“大家总是争相使用它——它在我们团队中非常受欢迎。”此外，由于所有 Moku 设备都提供多仪器模式，研究团队现在可以使用 Moku:Lab 进一步优化他们的设置。 波形发生器, PID 控制器, 示波器和 频谱分析仪。现在，只需一台设备，团队就可以实时创建参考信号、设置增益配置文件并查看频率响应。
结果
Neeraj在提高实验效率的同时，也发现Moku:Lab有助于优化实验室的物理布局。“它节省了空间，”他说，“你不需要把多个设备堆叠在一起进行分析，只需在不同的仪器之间切换即可。” Moku:Lab将继续帮助Neeraj进行动态CANDi激光器的研究。展望未来，Neeraj将继续使用Moku:Lab PID控制器，而他的同事们则会使用其他软件定义仪器，例如…… 激光锁频/稳频器他可以利用内置的数据记录器快速将数据记录到 SD 卡中，从而节省采集结果的时间和精力。团队计划在未来的项目中继续使用 Moku:Lab，并将其应用于各种应用场景，包括定制 FPGA 编程。 自定义仪器 允许用户对 Moku 设备内的 FPGA 进行编码、编译和部署比特流，以实现自定义功能并构建复杂的信号处理管道。查看我们的 网络研讨会 团队对使用 ChatGPT 编写自定义 VHDL 代码产生了浓厚的兴趣。他们计划在未来几年内在实验室的各种应用中测试这项功能，并使用 Moku:Pro 和 Moku:Go 设备进行广泛的测试。Neeraj 和他的同事们一直依靠 Moku:Lab 来推进一些当今最前沿的激光光源的发展。凭借团队最近研发的高能单腔双梳动态 CANDi 光纤激光器，许多行业有望迎来显著的改进，例如用于安检的太赫兹成像。科罗拉多大学博尔德分校的另一个实验室正在尝试将该激光器用于拉曼光谱学，其应用领域包括制药和水质监测。[2]。如需了解更多信息，请深入了解 显微镜和光谱应用.
联系方式
在我们的知识库中获取常见问题解答
如果您对设备特性或仪器功能有疑问，请查看我们的 知识库 来查询您正在寻找的答案。 您还可以快速查看热门问题并按产品或主题来优化搜索。
加入我们的用户论坛来与我们保持联系
想要新的功能吗？ 有技术支持提示要分享？ 从客户案例到新功能公告等等， 用户论坛 是您的一站式门户，作为产品更新以及与 Liquid Instruments 和我们的全球用户社区建立联系。
案例
[1] B. Li、N. Prakash 和 SW Huang，“自启动低噪声反向传播全正色散 (CANDi) 光纤激光器”，2022 年激光与光电子学会议 (CLEO)，美国加利福尼亚州圣何塞，2022 年，第 1-2 页。[2] E. Adams，“研究人员在简化双梳光谱的商业化方面取得进展”，电气、计算机与能源工程，https://www.colorado.edu/ecee/2022/08/30/researchers-make-strides-commercializing-simplified-dual-comb-spectroscopy（访问日期：2023 年 8 月 24 日）。