이 애플리케이션 노트에서는 Moku:Lab이 .CSV 파일에서 가져온 데이터를 사용하여 임의 파형 발생기 장비를 사용하여 파형 패턴을 생성할 수 있는 방법을 설명합니다. 파형은 X 및 Y 평면 모두에서 레이저 빔을 조종하여 GRACE 후속 임무에 사용된 것과 유사한 스캔 패턴을 만드는 데 사용됩니다.
참고: 이 애플리케이션 노트는 Moku:Lab 소프트웨어 버전 1.9를 나타냅니다.
임의 파형 생성
Moku:Lab AWG(임의 파형 발생기)는 65,536 MSa/s의 샘플링 속도로 최대 125 포인트의 맞춤형 파형을 생성할 수 있습니다. 파형은 파일에서 로드하거나 최대 32개 세그먼트가 포함된 조각별 수학 함수로 입력할 수 있으므로 진정한 임의 파형을 생성할 수 있습니다. 펄스 모드에서는 펄스 간 데드 타임이 250,000사이클 이상인 파형을 출력할 수 있으므로 장기간에 걸쳐 일정한 간격으로 임의 파형으로 시스템을 자극할 수 있습니다.
스캔 패턴
2D 레이저 스캔 패턴은 현미경, 장거리 자유 공간 간섭계, LiDAR 등 다양한 응용 분야에 필요합니다. 2018년 GRACE 후속 임무에서는 200km 떨어진 지구 궤도를 도는 두 대의 우주선에 두 개의 레이저 빔을 사용하여 최초의 우주선 간 레이저 간섭계를 설치했습니다. GRACE 후속 간섭계는 우주선 분리의 미크론 미만 변화를 측정할 수 있습니다. 링크가 설정되기 전에 레이저는 5차원 공간을 스캔하여 서로를 찾아야 했습니다. 각 레이저 빔의 팁과 기울기, 레이저의 주파수 차이 [1]. LISA 중력파 검출기뿐만 아니라 응집성 자유 공간 레이저 통신 및 광학 양자 키 분배 링크(예: 지상에서 우주까지)에도 유사한 획득 스캔이 필요할 수 있습니다.
이 애플리케이션 노트에서는 Moku:Lab 임의 파형 생성기를 사용하여 복잡한 2D 스캔 패턴을 생성하는 방법을 설명합니다. 먼저 XY 모드의 오실로스코프에서 시각화를 위해 AWG 파형을 Moku:Lab에 로드하는 방법을 보여 드리겠습니다. 다음으로, 획득 시스템에 적합한 임의의 스캔 패턴을 생성하기 위해 고속 스티어링 미러와 레이저 시스템을 추가합니다.
Moku:Lab 임의 파형 발생기 장비
Moku:Lab 임의 파형 발생기는 사전 설정된 파형, 입력 방정식 또는 파일에서 가져온 포인트에서 듀얼 채널 사용자 정의 패턴을 생성할 수 있습니다. 1mHz ~ 125MHz의 출력 주파수가 지원됩니다. 펄스 출력은 펄스 간 데드타임이 최대 250,000사이클로 구성될 수 있습니다.
사전 설정된 파형에는 사인, 가우스, 지수 상승, 지수 하강, 싱크 및 심장 파형이 포함됩니다. 방정식 모드는 복잡한 조각별 함수에서 최대 32개의 세그먼트를 지원합니다.
이 애플리케이션에서는 임의 파형 발생기의 사용자 정의 모드를 사용하고 SD 카드에 저장된 .CSV 파일에서 파형 포인트를 로드합니다. 저장되는 파형의 최대 길이는 원하는 출력 속도에 따라 달라집니다. 125MSa/s에서 파형은 최대 65,536개의 포인트를 가질 수 있고, 1GS/s에서는 최대 8192개의 포인트를 가질 수 있습니다.
2D 스캔 패턴 생성
이 애플리케이션에서 테스트하는 스캔 패턴은 일정한 밀도 나선형 스캔입니다. 2D 공간 공간을 스캔할 때 각 지점이 동일한 스캔 밀도로 조사되고 각 지점에서 동일한 시간이 소요되는지 확인하는 것이 중요합니다.
시간의 함수에 따라 진폭을 선형적으로 증가시켜 생성된 나선형 스캔은 진폭이 증가함에 따라 스캔 지점 사이의 거리가 증가하는 스캔이 됩니다. 이는 주어진 반경에 대해 원 주위의 샘플링 지점 수가 일정하기 때문입니다. 대신, 진폭에 관계없이 일정한 밀도와 체류 시간이 있도록 진폭이 증가함에 따라 주파수가 감소하는 스캔이 필요합니다(그림 1 참조).
그림 1 : 일정하지 않은 밀도 스캔과 일정한 밀도 패턴 비교
MATLAB에서 일정한 밀도 스캔 패턴을 생성하고 X 및 Y 좌표를 .CSV 형식으로 SD 카드에 저장했습니다. 그런 다음 Moku:Lab Arbitrary Waveform Generator를 사용하여 파일을 가져오고 이러한 X 및 Y 위치 명령을 출력 채널 1과 채널 2에 생성했습니다(그림 2). SD 카드를 사용하는 것이 원하는 파형을 가져오는 유일한 방법은 아닙니다. Dropbox, 이메일 또는 iPad의 내 파일을 통해 파일을 업로드하는 것도 사용할 수 있습니다[2].
그림 2 : Moku:Lab 임의 파형 생성기를 사용하여 X 및 Y 위치 좌표를 구동하도록 출력 채널 구성
그림 3 : XY 모드의 Moku:Lab 오실로스코프에서 나선형 스캔 패턴의 출력을 확인합니다.
임의 파형 발생기가 10Hz 및 2V에서 패턴을 올바르게 생성하는지 확인하기 위해 XY 모드에서 오실로스코프를 실행하는 두 번째 Moku:Lab을 사용했습니다(그림 3).
레이저 나선형 스캔 시연
획득 스캔 패턴은 장거리 자유 공간 레이저 링크를 설정하는 데 필수적인 부분입니다. 나선형 스캔 패턴을 잠재적인 링크 획득 플랫폼으로 입증하기 위해 Moku:Lab이 임의 파형 생성기를 사용하여 빔을 조종하는 간단한 빔 조종 시스템을 설정했습니다.
빔 조향을 위해 Newport FSM-300 고속 조향 미러를 사용했습니다. X 및 Y 평면에서 각각 거울의 팁과 기울기를 제어하기 위해 아날로그 ±10V 신호를 공급받을 수 있습니다. Moku:Lab의 출력 범위는 ±1V이므로 각 채널에 두 개의 증폭기를 사용하여 구동 신호의 진폭을 높였습니다(그림 4). 우리는 스캔 영역을 최대화하기 위해 최대 조향 범위에서 조향 미러를 구동할 수 있도록 이렇게 했습니다.
그림 4 : 빠른 스티어링 미러에 대한 X 및 Y 스캔 패턴을 생성하는 Moku:Lab을 보여주는 설정 다이어그램
우리는 연구실의 광학 벤치에 구성 요소를 설치하고(그림 5) 스티어링 미러에서 약 5m 떨어진 곳에 프로젝터 스크린을 배치했습니다.
그림 5 : 실험 설정
고속 스티어링 미러는 최대 약 2kHz의 아날로그 대역폭을 갖습니다. 우리가 생성한 나선형 스캔 패턴은 같은 지점에서 시작하고 끝나지 않습니다. 나선형의 내부와 외부를 연결하는 눈에 띄는 직선이 있습니다. 이러한 방향의 급격한 변화는 나선형 스캔 주파수보다 훨씬 더 높은 주파수 고조파를 발생시킵니다. 3Hz 이상으로 스캔을 실행했을 때 날카로운 회전에 필요한 더 높은 고조파가 스티어링 미러의 대역폭을 벗어났기 때문에 직선이 구부러지기 시작했습니다.
DSLR 카메라로 촬영한 장노출 사진으로 1Hz에서 스캔 패턴 사진을 캡처했습니다(그림 6).
그림 6 : 프로젝터 화면에 보이는 스캔 패턴
결론
획득 스캔 패턴은 GRACE Follow-On과 같은 장거리 자유 공간 레이저 링크를 설정하는 데 중요한 측면입니다. 전체 조사 영역에 걸쳐 일정한 밀도 스캔이 필요하며, 이로 인해 일반적으로 임의 파형 패턴이 사용됩니다. 우리는 MATLAB에서 일정한 밀도의 나선형 스캔 패턴을 생성한 다음 이를 SD 카드를 통해 Moku:Lab Arbitrary Waveform Generator로 가져왔습니다. 그런 다음 이를 사용하여 나선형 스캔 패턴을 사용하여 가시적 빨간색 레이저를 프로젝터 스크린으로 조종하는 빠른 조종 거울을 구동했습니다. 이는 자유 공간 레이저 링크에 대한 획득 스캔 패턴에 사용할 수 있는 임의의 복잡한 파형을 생성하는 Moku:Lab 장치의 기능을 시연했습니다.
추가 읽기
[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 및 Daniel A. Shaddock, "GRACE 후속 임무를 위한 레이저 링크 획득 시연", Opt. 급행22, 11351-11366 (2014)
[2] Moku:Lab 임의 파형 발생기 사용자 매뉴얼 https://www.liquidinstruments.com/arbitrary-waveform-generator/
