まとめ
オーストラリア国立大学の重力天体物理学センター/OzGrav では、Andrew Wade博士とそのチームが、長距離高精度レーザーセンシングプロジェクトで使用するための超安定周波数基準源を開発しています。 Moku:Pro のレーザーロックボックスとその FPGA ベースのデジタル実装により、以前のカスタムセットアップと比較して、よりアクセスしやすく堅牢なソリューションのロックと調整パラメーターを簡単に取得できるようになりました。
課題
宇宙ベースのレーザーセンシング技術を開発する取り組みにおいて、オーストラリア国立大学の研究者はレーザー周波数の非常に正確な測定と制御に依存しています。軌道上の衛星間など、長距離にわたる測定にレーザーを使用する場合、レーザーの周波数がわずかに変化しただけでも、測定に重大な不確実性やノイズが生じます。レーザーの周波数を決定し、時間の経過に伴うその周波数の変動を抑制することが、オーストラリア国立大学の研究の鍵となります。さらなる課題は、各レーザーと周波数基準 (キャビティ) のカスタム特性により、制御システムを各設定に合わせて調整する必要があることです。
Wade博士によると、「アナログ回路には帯域幅とループ遅延の点でいくつかの利点がありますが、通常はオフセット、環境によって引き起こされるドリフト、およびスプリアス相互結合の影響を受けやすくなります。また、ロックとチューニングのループパラメータをどのように取得するかという問題もあり、多くの場合、スイッチを物理的に操作したり、フロントパネルのノブを使ってチューニングしたりする手動プロセスで行われます。」市場に出回っているレーザーロックデバイスの選択肢は非常に限られているため、ほとんどの研究室はパフォーマンス上の理由から独自に構築しており、これらのセットアップの構築と維持に多大な費用が発生しています。
図１：レーザーを１０万フィネスの基準共振器にロックするオーストラリア国立大学研究所のセットアップ
Wade博士のチームは市販されている最高の光共振器を使用していますが、これにはさらなる課題があります。１０万フィネス キャビティの共振が非常に狭いということは、PDH エラー信号の線形キャプチャ範囲が非常に狭いことを意味し、ロックの取得が困難になります。
ソリューション
Moku:Pro のレーザーロックボックスのデジタル実装は、アナログ回路設計アプローチの欠点の多くに対処します。 FPGA ベースのアーキテクチャにより、さまざまなレーザーやリファレンスに合わせて調整するための再構成が可能になると同時に、リアルタイムのパラメータ調整とエラーおよび制御信号の視覚化により、ループ設計の最適化プロセスがより簡単になります。
統合されたキャビティロックユニットとして、Moku:Pro は、フィードバックコントローラーのロックと調整をより簡単に行うことができる直感的なユーザーインターフェイスを提供すると同時に、複雑さと障害の可能性を軽減します。 「断線したワイヤをデバッグしたり、PCB をはんだ付けして修正したりすることは、今や過去のものになったようです。」 「アクチュエータのデジタル化、復調、周波数整形、ブレンディングのすべての要素が単一ユニットで実行されるため、設置と立ち上げが迅速に行えます。」とWade博士は述べています。
図２: レーザーロックボックス iPad インターフェイスのブロック図と、エラー信号と制御信号を示す中間プローブポイント
Moku:Pro のマルチ機器モードを使うと、追加のテスト機器や配線を必要とせずに、レーザーロックボックスでレーザーを光キャビティにロックしながら、周波数応答アナライザ (FRA) でボード線図測定を行うことができます。 FRA は、エラー信号に外乱を注入してシステムの伝達関数を測定し、閉ループのゲインと位相余裕、およびループの外乱除去性能をチェックします。研究者は、FRA とレーザーロックボックスをすばやく切り替えて PID パラメーターを調整し、ループのパフォーマンスを最適化し、安定性を確保し外乱抑制を最大化できます。
図 3: マルチ機器モードで周波数応答アナライザを使用して、ボード線図上の制御ループの位相余裕を測定する研究者。
オーストラリア国立大学から Liquid Instruments へのフィードバックを受けて、復調不要の入力もレーザーロックボックスに追加され、Moku:Pro の標準機器スイートを使用してカスタムのレーザーキャビティ読み出しスキームを実装できるようになりました。この新機能により、独自のカスタム システムを構築する必要がなくなり、時間を大幅に節約でき、Moku:Pro のソフトウェアデファインドアプローチの利点が強調されました。
研究者は、周波数安定性とループ特性に関するデータを収集した後、文書化、出版、オフラインモデリングのためにデータを保存・エクスポートできます。また、Moku:Pro の Wi-Fi 接続により、これをリモートで迅速に行うことができます。レーザー周波数安定度データは、ストレージのサイズによってのみ制限される、非常に長いログ時間にわたって連続的に記録することができます。
結果
Moku:Pro の機能と柔軟性の組み合わせにより、オーストラリア国立大学はカスタム システムの構築と保守にかかる諸経費を回避しながら、迅速に稼働を開始することができました。 「レーザーロックのために Moku:Pro に切り替えることで、セットアップにかかる時間が大幅に節約され、直感的なユーザーインターフェイスにより、パラメーターの調整がより簡単になりました。」とWade 博士は述べています。このソリューションは再構成とアップグレードが可能であるため、宇宙ベースのレーザーセンシング技術の研究を継続する際の新しい実験にも確実に適応できます。
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