レーザー安定化システムを構築するには、大きくて高価なアナログ ロックイン アンプを確保する必要がありました。{0}}これらのシステムは効果的ではありますが、最新のデジタル アプローチと比較すると、柔軟性、遅延、統合の点で制限される可能性があります。デジタル信号処理を活用したデジタル デバイスは、以前のデバイスよりも優れたパフォーマンスを発揮します。これは、実際のケーススタディで示されています。-レーザー安定化の将来はデジタルですか?
レーザーの安定化は不可欠です。多くのレーザー安定化セットアップでは、周波数偏差を表す信号は非常に弱く、バックグラウンド ノイズに埋もれてしまうことがよくあります。環境の乱れや検出器のノイズが測定に影響を及ぼしやすいため、誤差信号を確実に抽出することが困難になります。
見た目に反して、レーザーは完全に純粋な色や一定の出力を生成するわけではありません。これらは環境の影響を受けやすいため、温度、振動、圧力、または電源のわずかな変化により、レーザーの周波数がドリフトし、出力が変動する可能性があります。たとえ小さな変更であっても、研究室や教育現場では重大な影響を及ぼします。
高分解能分光法などの高精度アプリケーションでは、この不安定性は許容できません。{{1}個人はレーザー安定化システムを使用して変動を積極的に修正し、レーザーの出力を非常に安定した外部基準にロックする必要があります。
レーザーを安定させる一般的な方法はフィードバック ループです。光のサンプルが分離されて安定した基準に送られ、検出器が安定した基準と比較してレーザーの周波数を測定します。エラー信号がゼロの場合は、レーザーが基準条件にロックされていることを示し、ゼロ以上または以下の偏差は周波数ドリフトを示します。
エラー信号はバックグラウンドノイズに埋もれてしまうため、非常に微弱になることがよくあります。これを抽出する従来の方法は、指定された周波数の信号を探すように特別に調整された物理ボックスであるアナログ ロックイン アンプ-を使用することです。-
アナログ ロックイン アンプの問題-
以前は、レーザー安定化システムを作成するには、{0}}スタンドアロンのアナログ ロックイン アンプ-を購入し、検出器やその他の電子モジュールに物理的に配線する必要がありました。それは効果的でしたが、柔軟性がありませんでした。専門家は、変調周波数を変更するにはハードウェアを変更または交換する必要がありました。
アナログ ロックイン アンプは、正確なデータ取得が不可欠な非常にノイズの多い環境から微弱な信号を抽出できるため、数十年にわたって高感度測定の基礎となってきました。{0}}これらはその目的を効果的に果たしましたが、進化するパフォーマンスの期待に応えるために苦労しています。ユーザーは、動作周波数範囲、フィルタの種類、時定数など、デバイスの中核となる機能や設定を簡単に変更することはできません。-
デジタル ロックイン アンプ-は、コンポーネント ドリフトのない正確なフィルタリングと多周波数復調を行うため、デジタル信号処理アルゴリズムを介して入力信号をデジタル化します。-これらは、高性能、リアルタイム、並列数学演算向けに設計されています。-
デジタル実装では、アナログ ロックイン ボックスの機能全体がデジタル デバイス上のコードで複製されます。{0}数値をフィルタリングおよび処理してリアルタイムでエラー信号を抽出し、デジタル-から-へのコンバータがレーザーの補正に必要な電圧を生成します。このアプローチは、特に柔軟性と統合が必要なアプリケーションにおいて、パフォーマンスと機能においてアナログ実装を上回る可能性があります。
デジタル信号処理の基礎
最新のアプローチは、ロックイン アンプのコア機能をデジタル化することです。{0}高速アナログ-デジタル コンバータ (ADC) は、検出器からのノイズの多いアナログ信号をデジタル データのストリームに変換します。デジタル信号処理は、この情報に対して数学的演算を実行します。出力はフィルタリングおよび処理され、リアルタイムでエラー信号が抽出されます。
信号をデータに変換します。ADC は、連続的なアナログ入力信号を離散的な一連の数値に変換します。入力電圧を高い固定レートでサンプリングすると、元の波形に近いデータ ストリームが生成されます。目的は、入力信号を基準信号 (通常は正弦波) と比較することです。
これを行うために、システムは入力信号を分割します。どちらもリファレンスと 90 度-位相をずらした-コピーで別々に乗算されます。アナログ機器とは異なり、デジタル技術により、信号を分割する際の信号対雑音比の損失がなくなります。--これらの信号は、ノイズ除去とデータの平均化のために同一のデジタル ローパス フィルターを通過します。
復調プロセスの出力は 2 つの安定した直流値です。これらを除去するには、カスケード積分器コム (CIC) や有限インパルス応答 (FIR) などのデジタル フィルターを使用します。これにより、高周波信号が抑制され、ノイズのない直流 (DC) 信号が得られます。-
クリーニング信号。CIC は、フィルター係数の保存や乗算を必要としないため、人気があります。これは最も単純な計算に依存しています-これらのフィルタを実装するには減算と加算のみが必要です。また、FIR よりも大幅に少ない計算量でローパス フィルタリングを実現することもできます。-
FIR にはまだ用途がありますが、非常に低いカットオフ周波数が必要となるため、操作が複雑になり、リソースが大量に消費され、レイテンシが長くなります。{0} FIR を好む場合は、1 つの係数テーブルを共有するデュアル フィルターを使用して最適化できます。この方法は、優れたパフォーマンス、低い計算複雑さ、および低いリソース使用率を実現します。
遅延は最小限に抑えられます。ミキシング後も信号にノイズが残る場合があります。これをクリーンアップするには、ロックインで信号を平均化する必要があります。-平均化は遅延の一般的な原因です。その性質上、平均化は即座に変化することができず、時間をかけて測定する必要があるためです。
非常に短い時間間隔で平均をとった場合、出力は変化に非常に迅速に反応しますが、多くのノイズは除去されません。対照的に、長期間にわたる平均化はノイズを効果的に除去し、クリーンで安定した結果をもたらしますが、実際の信号が変化したときに応答するのに長い時間がかかります。
時定数-システムが入力に応答する速度を測定する-を非常に短い値に設定します。出力にノイズが含まれる場合がありますが、変更にはほぼ瞬時に反応します。時定数を徐々に大きくしていくと、出力が遅れ始めます。平均時間をできるだけ短くするには、信頼性の高い測定ができるほど信号が安定したら停止してください。
デジタル導入のメリット
デジタル ロックイン アンプを使用すると、研究室の専門家は、コード行を編集するだけで、-フィルタ設定、変調周波数、ゲインなどのパラメータを変更できます-。ハードウェアに触れる必要はありません。デジタル制御により、アナログ コンポーネントでは実装が困難または不可能な、より複雑な適応安定化技術が可能になります。
このシステムは、より直観的であるだけでなく、通常、より手頃な価格です。単一のプログラマブル デバイスは、アナログ コンポーネントを備えた複数の専用電子ボックスよりも大幅に安価になります。実際の環境では、デジタル信号処理を備えたレーザー安定化システムは効率的で強力で、費用対効果に優れています。-
たとえば、走査型プローブ顕微鏡 (SPM) は、マイクロ-およびナノスケールの表面トポロジー マップを提供します。通常、走査点のレイアウトは、長方形の地形ラスター パターン内で定義されます。この戦略のリスクは、スキャン密度が不十分なために貴重なデータが失われる可能性があることです。また、解像度が低くても十分な場合でも、システムがデータで圧倒されてしまう可能性があります。
アダプティブ スキャンをサポートするコントローラーにより、データ収集がより効率的になります。あるケーススタディでは、低コストのデジタル シグナル プロセッサでも、16-、18-、20 ビット動作を可能にする最先端の市販顕微鏡と同等のパフォーマンスを達成できることが実証されました。{{2}この実験は、柔軟な既製コンポーネントを使用して強力な機器を作成できる可能性を実証しました。
ビット深度が高いということは、コントローラーがはるかに小さい高さの差を測定できることを意味します。ナノスケールでのイメージングには、小さな特徴を検出するための極めて高い精度が必要です。カスタム システムでは、アドオン ボードを使用して、ネイティブ 14 ビットの解像度を 18 ビットと 20 ビットに高め、より詳細な制御と測定を実現しました。-
レーザー安定化システムのプロトタイプ
デジタル ロックイン アンプは、周波数合成と位相敏感検出により、アナログ アンプよりも大幅に正確です（図. 1を参照）。-デジタル実装は、実装の複雑さは増しますが、柔軟性と拡張性が向上します。アナログ デバイスを設計する場合、アナログ エレクトロニクスの制限により、一部のエラーを軽減するのが困難なことがあります。
量子光学の研究者がデジタル信号処理を使用して複雑なフィードバック ネットワークを作成する場合でも、大学の研究室で学生にレーザー物理学の原理を教える場合でも、これらのレーザー安定化システムはアナログの安定化システムよりも明らかに優れています。
効果的なシステムを構築するには、個人は乱雑で時代遅れのハードウェアからスマートで柔軟なソフトウェアに移行する必要があります。プロトタイプを作成するときは、フィルターの時定数をできるだけ短く設定して、反応時間とエラー信号の安定性のバランスをとる必要があります。安定化フィードバック ループは、レーザーのドリフトよりも高速でなければなりません。
適切なロックイン測定は、最適な基準信号に基づいています。-外部リファレンスを使用する場合は、周波数が適切に定義され、位相ノイズがないことを確認する必要があります。いくつかの品質保証措置を事前に実施した後、システムが多くの作業を処理します。調整が必要な場合は、コード行を変更するのと同じくらい簡単です。
デジタル導入への移行
レーザーを安定させるには、かなりのノイズを通じて非常に弱いエラー信号を検出する必要があります。ロックイン アンプは抽出に優れていますが、すべてが同じように作られているわけではありません。デジタルのソフトウェア定義プラットフォームは、かさばって高価なハードウェアを置き換え、プロトタイピングと実装をより速く、より安く、より柔軟にします（図. 2を参照）。
精度を追求するため、かつて-普及していた-アナログ ロックイン アンプは時代遅れになりました。現在でも使用可能ですが、現代の同等品の方が明らかに優れています。 1970 年代のアナログ ロックイン アンプをまだ使用している場合でも、初めてのデジタル信号処理プロジェクトに取り組んでいる場合でも、アップグレードすることは簡単に正当化できます。-
