このアプリケーション ノートでは、Moku:Lab が .CSV ファイルからインポートされたデータを使用して任意波形発生器を使用して波形パターンを生成する方法について説明します。この波形は、X 平面と Y 平面の両方でレーザー ビームを操縦し、GRACE 後続ミッションで使用されたものと同様のスキャン パターンを作成するために使用されます。
注: このアプリケーション ノートは、Moku:Lab ソフトウェア バージョン 1.9 について言及しています。
任意波形の生成
Moku:Lab 任意波形発生器 (AWG) は、65,536 MSa/s のサンプル レートで最大 125 ポイントのカスタム波形を生成できます。波形はファイルからロードすることも、最大 32 セグメントの区分数学関数として入力することもできるため、真に任意の波形を生成できます。パルスモードでは、パルス間に 250,000 サイクルを超えるデッドタイムを設けて波形を出力できるため、長期間にわたって一定の間隔で任意の波形でシステムを励起できます。
スキャンパターン
2D レーザー スキャン パターンは、顕微鏡、長距離自由空間干渉法、LiDAR などの多くのアプリケーションで必要とされます。 2018 年の GRACE 後続ミッションでは、地球を 200 km 離れて周回する 5 台の宇宙船で 1 つのレーザー ビームを使用して、最初の宇宙船間レーザー干渉計をセットアップしました。 GRACE Follow-On 干渉計は、宇宙船間隔のサブミクロンの変化を測定できます。リンクを確立する前に、レーザーは XNUMX 次元空間をスキャンしてお互いを見つける必要がありました。各レーザービームの先端と傾き、およびレーザーの周波数差[XNUMX]。同様の取得スキャンは、LISA 重力波検出器や、コヒーレント自由空間レーザー通信や地上から宇宙などの光量子鍵配布リンクにも必要になる可能性があります。
このアプリケーション ノートでは、Moku:Lab 任意波形発生器を使用して複雑な 2D スキャン パターンを生成する方法について説明します。まず、AWG 波形を Moku:Lab にロードして、XY モードのオシロスコープで視覚化する方法を示します。次に、高速ステアリング ミラーとレーザー システムを追加して、取得システムに適した任意のスキャン パターンを生成します。
Moku:Lab 任意波形発生器
Moku:Lab 任意波形ジェネレーターは、プリセット波形、入力方程式、またはファイルからインポートされたポイントからデュアル チャネル カスタム パターンを生成できます。 1 mHz ～ 125 MHz の出力周波数がサポートされています。パルス出力は、パルス間のデッドタイムを最大 250,000 サイクルに設定できます。
プリセット波形には、サイン波、ガウス波、指数関数的上昇、指数関数的下降、sinc、心臓などが含まれます。方程式モードは、複雑な区分関数から最大 32 個のセグメントをサポートします。
このアプリケーションでは、任意波形ジェネレーターのカスタム モードを使用し、SD カードに保存されている .CSV ファイルから波形ポイントをロードします。保存される波形の最大長は、必要な出力レートによって異なります。 125 MSa/s では波形に最大 65,536 ポイント、1 GS/s では最大 8192 ポイントを含めることができます。
2Dスキャンパターンの生成
このアプリケーションでテストするスキャン パターンは、一定密度のスパイラル スキャンです。 2D 空間上でスキャンする場合、各ポイントが同じスキャン密度で調査され、各ポイントに同じ時間が滞在するようにすることが重要です。
時間の関数として振幅を線形に増加させることによって作成されるスパイラル スキャンは、振幅が増加するにつれてスキャン ポイント間の距離が増加するスキャンになります。これは、特定の半径の円の周囲のサンプリング ポイントの数が一定であるためです。代わりに、振幅に関係なく密度と滞留時間が一定になるように、振幅が増加するにつれて周波数が減少するスキャンが必要となります (図 1 を参照)。
図1： 非一定密度スキャンと一定密度パターン
MATLAB で一定密度のスキャン パターンを作成し、X 座標と Y 座標を .CSV 形式で SD カードに保存しました。 Moku:Lab 任意波形ジェネレーターを使用して、ファイルをインポートし、これらの X および Y 位置コマンドを出力チャンネル 1 およびチャンネル 2 に生成しました (図 2)。 SD カードを使用することが目的の波形をインポートする唯一の方法ではないことに注意してください。Dropbox、電子メール、または iPad の My Files 経由でファイルをアップロードすることもできます [2]。
図2： Moku:Lab 任意波形ジェネレーターを使用して X および Y 位置座標を駆動するように出力チャンネルを構成する
図3： XY モードの Moku:Lab オシロスコープ、スパイラル スキャン パターンの出力を確認
任意波形発生器が 10 Hz および 2 V でパターンを正しく生成していることを確認するために、XY モードでオシロスコープを実行する 3 台目の Moku:Lab を使用しました (図 XNUMX)。
レーザースパイラルスキャンのデモンストレーション
取得スキャン パターンは、長距離自由空間レーザー リンクを確立するために不可欠な部分です。潜在的なリンク取得プラットフォームとしてのスパイラル スキャン パターンを実証するために、Moku:Lab が任意波形発生器を使用してビームを制御する単純なビーム ステアリング システムをセットアップしました。
ビームステアリングには、Newport FSM-300 高速ステアリングミラーを使用しました。アナログ±10 V信号を供給して、X面とY面のミラーの先端と傾きをそれぞれ制御できます。 Moku:Lab の出力範囲は ±1 V であるため、各チャンネルに 4 つのアンプを使用して駆動信号の振幅を増加しました (図 XNUMX)。これは、スキャン領域を最大化するために、ステアリング ミラーを最大ステアリング範囲で駆動できるようにするためです。
図4： Moku:Lab が高速ステアリング ミラーの X および Y スキャン パターンを生成する様子を示すセットアップ図
研究室の光学台にコンポーネントを設置し (図 5)、ステアリング ミラーから約 5 m 離れたところにプロジェクター スクリーンを配置しました。
図5： 実験装置
高速ステアリングミラーのアナログ帯域幅は最大約 2 kHz です。私たちが生成したスパイラル スキャン パターンは同じ点で始まり同じ点で終わるわけではないことに注意してください。スパイラルの内側と外側を結ぶ顕著な直線があります。この方向の急激な変化により、スパイラル スキャン周波数よりも大幅に高い周波数高調波が発生します。 3 Hz 以上でスキャンを実行すると、急旋回に必要な高調波がステアリング ミラーの帯域幅から外れたため、直線が曲がり始めました。
DSLR カメラで撮影した長時間露光写真を使用して、1 Hz でのスキャン パターンの写真をキャプチャしました (図 6)。
図6： プロジェクタースクリーンに表示されるスキャンパターン
まとめ
取得スキャン パターンは、GRACE フォローオンのような長距離の自由空間レーザー リンクをセットアップする際の重要な側面です。尋問領域全体にわたって一定の密度のスキャンが必要であり、通常は任意の波形パターンが使用されることになります。 MATLAB で一定密度のスパイラル スキャン パターンを作成し、それを SD カードで Moku:Lab 任意波形発生器にインポートしました。次に、これを使用して、スパイラル スキャン パターンを使用して可視赤色レーザーをプロジェクター スクリーン上に向ける高速ステアリング ミラーを駆動しました。これは、自由空間レーザーリンクの取得スキャンパターンに使用できる任意の複雑な波形を生成する Moku:Lab デバイスの機能を実証しました。
参考文献
[1] Danielle MR Wuchenich、Christoph Mahrdt、Benjamin S. Sheard、Samuel P. Francis、Robert E. Spero、John Miller、Conor M. Mow-Lowry、Robert L. Ward、William M. Klipstein、Gerhard Heinzel、Karsten Danzmann 、David E. McClelland、および Daniel A. Shaddock、「GRACE フォローオン ミッションのレーザー リンク取得デモンストレーション」、Opt.エクスプレス 22、11351 ～ 11366 (2014)
[2] Moku:Lab 任意波形発生器 ユーザーマニュアル https://www.liquidinstruments.com/arbitrary-waveform-generator/
