요약
Australian National University의 Centre for Gravitational Astrophysics/OzGra에서 Andrew Wade 박사와 그의 연구 팀은 장거리 고정밀 레이저 감지 프로젝트에 사용할 수 있는 매우 안정적인 진동수 기준 소스를 개발하고 있습니다. Moku:Pro의 레이저 락 박스와 FPGA 기반 디지털 구현을 통해 이전 사용자 정의 설정에 비해 더 접근하기 쉽고 강력한 솔루션을 위한 락 및 조정 매개변수를 쉽게 얻을 수 있습니다.
과제
ANU의 연구원들은 우주 기반 레이저 감지 기술을 개발하기 위한 작업에서 레이저 진동수의 매우 정밀한 측정 및 제어에 의존합니다. 예를 들어 궤도에 있는 위성 사이와 같이 장거리를 측정하기 위해 레이저를 사용하는 경우 레이저 진동수의 작은 변화라도 측정에 상당한 불확실성이나 노이즈를 초래합니다. 레이저의 진동수를 결정하고 시간에 따른 해당 진동수의 변동을 억제하는 것이 ANU 연구의 핵심입니다. 또 다른 과제는 각 레이저 및 진동수 기준(캐비티)의 맞춤형 특성으로 인해 제어 시스템이 각 설정에 맞게 조정되어야 한다는 것입니다.
Wade 박사에 따르면, “아날로그 회로는 대역폭과 루프 대기 시간 측면에서 몇 가지 장점이 있지만 일반적으로 오프셋, 환경적으로 유발된 드리프트 및 의사 교차 결합에 더 취약합니다. 또한 수동 프로세스를 통해 종종 수행되는 잠금 및 튜닝 루프 매개변수를 획득하는 방법에 대한 문제도 있습니다. 물리적으로 스위치를 깜박이고 전면 패널 손잡이를 사용하여 튜닝하는 것입니다.” 시장에 나와 있는 레이저 락인 장치의 선택이 매우 제한되어 있기 때문에 대부분의 실험실에서는 성능상의 이유로 자체 구축에 의존하므로 이러한 설정을 구축하고 유지 관리하는 데 상당한 오버헤드가 발생합니다.
그림 1: 레이저를 100,000개의 미세 레퍼런스 캐비티에 고정하는 ANU 연구실의 장비 구성
Wade 박사와 그의 팀은 상업적으로 이용 가능한 최고 수준의 캐비티를 사용하고 있으며 이는 더 많은 과제를 안겨줍니다. 100,000 피네스 캐비티의 극도로 좁은 공진은 파운드-드레버-홀(PDH) 오류 신호의 선형 캡처 범위가 매우 작아서 락인을 하기 어렵다는 것을 의미합니다.
해법
Moku:Pro의 레이저 락 박스의 디지털 구현은 아날로그 회로 설계 접근 방식의 많은 단점을 해결합니다. FPGA 기반 아키텍처를 사용하면 다양한 레이저 또는 기준에 맞게 재구성할 수 있으며, 실시간 매개변수 조정과 오류 및 제어 신호 시각화를 통해 루프 설계 최적화 프로세스가 훨씬 더 간단해집니다.
통합 캐비티 락 장치인 Moku:Pro는 피드백 컨트롤러의 락 및 조정에 훨씬 더 쉽게 접근할 수 있도록 하는 동시에 복잡성과 가능한 실패 지점을 줄이는 직관적인 사용자 인터페이스를 제공할 수 있습니다. Wade 박사는 “깨진 전선을 디버깅하고 PCB에 납땜을 수정하는 일은 이제 과거의 일이 된 것 같습니다.”라고 말했습니다. "액추에이터의 디지털화, 복조, 진동수 형성 및 혼합의 모든 요소가 단일 장치에서 수행되므로 설치 및 작동이 빠르게 이루어집니다."
그림 2: 레이저 락 박스 iPad 인터페이스 블록 다이어그램과 오류 및 제어 신호를 보여주는 중간 프로브 지점
Moku:Pro의 다중 기구 모드를 활용하면 레이저 락 박스를 사용하여 레이저를 광학 캐비티에 락인 할 수 있으며 추가 테스트 장비나 배선 없이 FRA(주파수 응답 분석기)로 보드 플롯 측정을 수행할 수도 있습니다. FRA는 시스템의 전달 함수를 측정하기 위해 오류 신호에 교란을 주입하여 루프의 교란 제거 성능은 물론 폐쇄 루프 게인 및 위상 여유도 검사합니다. 연구원들은 FRA와 레이저 락 박스 사이를 신속하게 전환하여 PID 매개변수를 조정하여 루프 성능을 최적화함으로써 안정성을 보장하고 교란 억제를 최대화할 수 있습니다.
그림 3: 연구원은 다중 기구 모드에서 진동수 응답 분석기를 사용하여 보드 플롯에서 제어 루프 위상 마진을 측정합니다.
ANU에서 Liquid Instruments로의 피드백에 따라 레이저 락 박스에 무복조 입력도 추가되어 Moku:Pro의 표준 장비 제품군을 사용하여 맞춤형 레이저 캐비티 판독 체계를 구현할 수 있었습니다. 이 새로운 기능을 통해 그들은 자체 맞춤형 시스템을 구축할 필요가 없고 상당한 시간을 절약할 수 있었으며 Moku:Pro의 소프트웨어 정의 접근 방식의 이점을 강조했습니다.
진동수 안정성 및 루프 특성에 대한 데이터를 수집한 후 연구원은 문서화, 출판 및 오프라인 모델링을 위해 이를 저장하고 내보냅니다. Moku:Pro의 Wi-Fi 연결을 통해 이 작업을 원격으로 신속하게 수행할 수 있습니다. 레이저 진동수 안정성 데이터는 저장소 크기에 의해서만 제한되는 매우 긴 로그 시간 동안 지속적으로 기록될 수 있습니다.
결과
Moku:Pro의 기능과 유연성의 조합을 통해 ANU는 맞춤형 시스템 구축 및 유지 관리에 따른 오버헤드를 피하면서 신속하게 시작하고 실행할 수 있었습니다. "레이저 락인을 위해 Moku:Pro로 전환하고나니 설정 시간이 많이 절약되고 직관적인 사용자 인터페이스 덕분에 매개변수 조정이 훨씬 더 간단해졌습니다."라고 Wade 박사는 말했습니다. 솔루션의 재구성 가능성과 업그레이드 가능성은 우주 기반 레이저 감지 기술에 대한 연구를 계속하면서 새로운 실험에 적용할 수 있음을 보장합니다.
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