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)。
图 1：光学台上的 Moku:Lab
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 Moku:Lab 支持的仪器，以及光谱分析仪等其他实验室设备。由于 Moku:Lab 在一台设备中提供了满足测试和测量需求的全系列软件定义仪器，Neeraj 和他的团队可以依靠这种多功能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
生成频率梳时，保持激光脉冲之间的一致时序至关重要。激光脉冲时序的轻微变化会给系统带来有问题的抖动和时序误差。在 LiDAR 等双梳应用中，激光器必须具有高分辨率和高速度，并且噪音极小或为零。通常，这些值之间存在权衡：以低分辨率实现高速度，反之亦然。
Neeraj 和他的团队开发了 CANDi 光纤激光器，作为对抗系统噪声的新方法。通过这种创新方法，一台光纤激光器可以产生两个方向相反的频率梳。即使存在定时误差和频率漂移，激光器仍能保持彼此稳定。这种动态方法大大减少了系统中的定时误差，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。他们最初使用模拟 PID 控制器，但必须在不知道控制器频率响应的情况下通过实验调整参数。
图 2：PID 增益曲线调整的频率响应图控制
在进行信号分析时，Neeraj 会手动运行每个实验，记录数据，导出数据，然后执行快速傅里叶变换 (FFT) 以查看频域中的结果。这个繁琐的过程需要宝贵的时间，因为团队必须反复测试参数，直到确定理想的增益曲线。但使用 Moku:Lab，Neeraj 可以实时查看频率响应和图表，大大加快了进度。
“Moku 为我提供了实时频域分析，”Neeraj 说道。“这节省了很多时间。”
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 松散地锁定激光频率，最大限度地减少抖动。通过用 Moku:Lab 替换模拟电子设备，团队可以轻松设置增益曲线并查看传递函数的频率响应——所有这些都在 Moku 应用程序中完成。通过这种方法，他们还消除了耗时的猜测，因为他们现在可以调整和调整参数，查看系统响应，并实时观察信号变化。
研究人员还在其他实验中使用了他们的设备，尤其是在意识到 Moku:Lab 锁相放大器的带宽远高于他们考虑的其他型号之后。事实上，由于 Moku 设备的多功能性，实验室成员经常发现自己排队使用它进行自己的研究。
“坦率地说，Moku:Lab 在我们实验室很受欢迎，”Neeraj 说道。“人们总是争着使用它——它在我们小组很受欢迎。”
此外，由于所有 Moku 设备都提供多仪器模式，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
在提高实验效率的同时，Neeraj 发现 Moku:Lab 还帮助优化了实验室的物理设置。
“它节省了空间，”他说。“你不需要把多个东西堆叠在一起进行这些分析。你只需在仪器之间切换即可。”
Moku:Lab 将继续协助 Neeraj 研究动态 CANDi 激光器。展望未来，Neeraj 将继续使用 Moku:Lab PID 控制器，而他的同事则使用其他软件定义的仪器，例如 激光锁频/稳频器。他可以使用嵌入式数据记录器快速将数据记录到 SD 卡中，从而节省捕获结果的时间和精力。
该团队计划在未来的各个应用项目中继续使用 Moku:Lab，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 在使用 ChatGPT 编写自定义 VHDL 时，团队产生了浓厚的兴趣。他们计划在未来几年内在实验室的各种应用中测试此功能，同时使用 Moku:Pro 和 Moku:Go 设备进行广泛的测试。
Neeraj 和他的同事依靠 Moku:Lab 推动当今已知的一些最前沿的激光源的发展。随着该团队最近开发的高能单腔双梳动态 CANDi 光纤激光器，许多行业将迎来巨大的进步，例如用于安全检查的太赫兹成像。科罗拉多大学博尔德分校的另一个实验室正在试验该激光器的拉曼光谱，应用于制药和水质监测[2]。如需了解更多信息，请深入了解 显微镜和光谱应用.
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案例
[1] B. Li、N. Prakash 和 SW Huang，“自启动和低噪声反向传播全正常色散 (CANDi) 光纤激光器”，2022 年激光和光电学会议 (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（24 年 2023 月 XNUMX 日访问）。