介绍
傅里叶变换超快光谱（FTUS）是一种强大的技术，它以极高的速度和精度彻底改变了科学家采集和分析光谱的方式。FTUS 利用傅里叶变换的原理，通过与参考信号的干涉方法，高效地将复杂的信号分解成其频率分量。这种方法无需扫描单个波长或频率，即可同时全面获取包含所有相关频率信息的光谱。与依赖棱镜或衍射光栅测量光强度随波长变化的传统色散光谱不同，FTUS 不受串行扫描的限制，使其成为各个科学和工程领域不可或缺的工具。FTUS 能够快速、准确地获取完整光谱，这使其脱颖而出，并具有数据采集速度快、光谱分辨率高以及能够高灵敏度地检测微弱信号等优势。其影响范围涵盖从材料表征到生物学研究等各个领域，在这些领域中，精确的光谱分析对于科学进步至关重要。中国科学院武汉分院的一个团队正在利用 FTUS 进行相关研究。 Moku:Pro是一款基于 FPGA 的先进测试设备，可提供超过 15 种软件定义仪器（从常见的工作台必需品到独特的必备仪器），甚至可以简化最具实验性的实验室设置。 使用 锁相放大器 和 自定义仪器ShaoGang Yu 博士通过在各种稳定设置中使用精密仪器推进了团队的研究。
面临挑战
尽管FTUS技术已展现出高效性，但研究人员仍持续致力于开发高灵敏度、高分辨率和高效率的FTUS技术。FTUS技术的关键在于干涉仪臂长，而干涉仪臂长极易受到环境噪声的影响，包括机械振动和气流。即使是微小的扰动也会导致光程和干涉相位发生变化，进而影响信号测量灵敏度和信噪比（SNR）。因此，实现稳定的干涉仪臂长锁定机制对于推进FTUS技术至关重要。目前的方法侧重于利用与FTUS激发激光同轴传播的参考激光。通过精确监测和锁定参考激光的干涉条纹抖动，研究人员可以获得所需的干涉仪臂长稳定性。然而，一个重要的挑战在于，参考激光虽然对于稳定干涉仪臂长至关重要，但却无法用于激发样品。作为一种变通方法，实验中通常会使用波长与激发激光显著不同的参考激光。然而，这种变通方法存在一个显著的缺陷——参考激光器与激发激光器之间存在相当大的相位抖动差异。这种差异严重制约了FTUS技术指标的提升及其更广泛的应用，促使研究人员创新并改进方法，以在复杂的实验和实际应用中获得最佳结果。
解决方案
为了解决这个问题，该院精密测量科学与技术创新研究院研究员余教授及其团队利用 多仪器并行模式 Moku:Pro 与超稳定参考激光器结合使用。 他们使用锁定放大器解调实时干扰相位测量，并通过 Moku Cloud Compile 实现自定义算法，该功能适用于所有 Moku 产品，使用户可以访问设备内的 FPGA 以启用自定义功能。 通过 Moku 云编译，用户只需使用 Web 浏览器编写所需的代码，在云端进行编译，然后将比特流部署到应用程序中的一台或多台 Moku 设备上。 为了获得完全的灵活性，用户可以用 HDL 编写代码，从我们的之一开始 例子或者，也可以使用兼容的工具，例如 Simulink 或 MATLAB 和 HDL Coder。这种灵活性使余教授能够实时变换相位，从而在任何波长下实现精确的相位测定，并促进无缝的数据采集和记录。该方案成功缓解了激光波长显著差异引起的相位抖动问题，最终推动了高灵敏度、高分辨率和高效率 FTUS 技术的发展。值得注意的是，这一简化的流程仅需一台 Moku:Pro 设备，因为它充分利用了该设备多功能的多仪器模式功能，可用于相位测量、相位变换和全面的数据采集等。该测量方法的开发是 FTUS 技术持续改进过程中的一个重要里程碑，极大地拓展了其潜在应用。其影响遍及物理学、化学、生物学和天文学研究等多个科学领域，在这些领域中具有巨大的价值和广阔的前景，有望取得进一步的突破。图 1 和图 2 分别展示了多仪器模式和锁相放大器配置的设置。在该系统中，锁相放大器和Moku Cloud Compile协同工作以执行相位变换。随后，位于插槽3的第二个锁相放大器使用变换后的相位信号对输入信号进行解调。最后，由……采集解调后的数据。 数据记录器 在插槽 4 中进行处理。 这项研究催生了一种新颖的算法来推进 FTUS 领域的发展，该算法是通过 Moku Cloud Compile 实现的。
结果
对图 3 所示的解调数据进行快速傅立叶变换 (FFT) 后，该团队成功获得了具有高 SNR 的准确频谱（如图 4 所示）。这种高精度光谱代表了被分析颗粒的物理特性。
在图 4 中，蓝线对应于使用波长为 700 nm 的激光器采集的数据，该波长与目标波长相差 74 nm。相比之下，红线代表使用波长为 800 nm 的激光器进行解调所获得的数据。值得注意的是，红线的信噪比 (SNR) 优于蓝线。这一改进可归因于红线中激光器的波长更接近目标波长 48 nm，从而减少了最终结果中的相位扰动。通过利用 Moku:Pro 的相位变换功能，研究人员可以精细地调整解调信号的波长，使其与目标波长紧密对齐。因此，信噪比得到进一步提升，在检测微弱信号和高噪声环境下工作方面具有显著优势。这凸显了 Moku:Pro 在推动 FTUS 领域发展方面的能力和潜力。
回顾团队的研究成果，余教授对Moku:Pro的性能和灵活性赞不绝口。“Moku:Pro不仅提供了强大的软件定义仪器，例如锁相放大器，而且多仪器模式和Moku云编译功能也为我们带来了前所未有的灵活性，”他说道，“这两项功能的结合帮助我们完成了过去非常困难的实验。”