宇宙发射的辐射能量中大约有一半是在远红外光谱范围内（30 至 1000 µm）探测到的，无论是来自我们银河系中的原恒星，还是来自当地宇宙中的超亮星系。1]为该光谱范围设计的光谱仪必须在低温（<1 K）下工作，并且通常包含需要驱动和传感的活动部件。先前的低温远红外空间天文学任务已采用多种计量技术，例如电容测微法、电感传感和光学编码。然而，基于激光的计量系统为低温部署提供了多种优势，其中最重要的是该技术固有的精度、易于集成、低功耗以及应用范围广泛。

蓝天光谱公司（蓝天）开发了一种正弦调频 (SFM) 技术的多轴实现方案，该方案仅使用单个激光器和探测器即可测量沿 8 个独立轴的位移 [2]。位移的不确定性取决于探测激光器的稳定性。幸运的是，研究人员可以使用一些众所周知的方法来稳定激光器，例如庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 技术。但是，如果激光器不在典型的实验室环境中，而是在太空中进行远红外光谱分析，并且无人维护，情况会怎样？蓝天的一个研究团队正在努力寻找答案。在最近的一篇论文中，他们概述了为 SFM 干涉仪开发一种新型激光锁定技术。为了加快研究进度，该团队使用了 Moku:Pro，一种基于 FPGA 的设备，可提供一套可重构的测试和测量仪器。

具体来说，该团队利用 Moku PID 控制器和 Moku:云编译 ——一款适用于所有 Moku 设备的工具，允许用户快速部署自定义功能——用于分析 SFM 结果并向激光器提供实时反馈。通过这种方法，他们显著提高了激光器的稳定性，使其成为一项有益的技术，适用于为……提出的激光位移计量系统。美国国家航空航天局探测任务旨在在太空部署低温冷却的远红外光谱仪。

面临挑战

激光干涉法是测量位移的常用技术。使用两条光束路径，其中一条作为已知长度的参考，一条路径能够根据产生的干涉图样提取有关另一条未知路径的信息。在蓝天团队使用的SFM技术中，激光的频率经过调制，使其围绕中心载波频率振荡（即，激光频率随时间变化的曲线类似于正弦波）。为了准确分辨光路距离 (OPD) 的微小变化，激光器的载波频率必须超稳定。调制频率的范围也应该相对较大。例如，要测量小于 1 m 的 OPD，调制范围应大于 2 GHz。如此大的调制范围使得锁定激光器变得困难。

庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 锁定技术采用外部腔体，常用于实验室应用。然而，当调制范围较小且完全包含在腔体线宽内时，该技术效果最佳。此外，这些高精细度腔体不仅价格昂贵，而且需要特殊的真空外壳和受控的温度环境。传统的 PDH 技术被认为不适用于低温太空部署，因此该团队探索了替代方法。

解决方案

蓝天团队针对严苛的太空环境，对锁定技术提出了两项改进。首先，他们用一个含有低压氢氰酸 (HCN) 的气室取代了外腔，该气室的吸收线位于已知的参考频率。虽然这种方法降低了维护需求和相关成本，但吸收线线宽较小的问题仍然存在。为此，团队开发了一种新颖的锁定机制，使用 Moku Cloud Compile 生成错误信号。

原理图如图 1a 所示。1550 nm 激光器产生载波频率，正弦频率调制由独立的 FPGA 提供。光束穿过光环行器，进入 20 dB 定向耦合器。耦合器输出的大部分激光功率用于位移测量（相关的 OPD 变化用 ΔΛ 表示），但一小部分会穿过 HCN 腔。

调频激光穿过气室产生的信号，经探测器数字化后发送至 Moku:Pro。Blue Sky 团队使用 Moku Cloud Compile 功能运行自定义程序来生成误差信号。此信号处理步骤的目的是将探测器的数字化信号转换为误差信号，并馈送到 PID 控制器。为此，首先计算检测到的信号的导数，当激光频率穿过 HCN 吸收线中心时，会产生零交叉。随后，根据信号在线两侧停留的时间计算这些零交叉的占空比。占空比与标称值 50% 的偏差构成了误差信号的基础，然后该误差信号被传递至 Moku PID 控制器以形成主动反馈回路。这种计算误差信号的方法使得团队能够在 3 GHz 的宽范围内对载波进行频率调制，同时将激光器紧紧锁定在线宽仅为 0.2 GHz 的气室参考上。

图 1：实验装置。（a）激光锁定系统，采用气体电池参考和使用 Moku Cloud Compile 的多步骤分析程序。（b）多仪器模式设置，采用 Moku 示波器进行调试，以及 Moku 数字滤波盒用于预滤波误差信号。

FPGA 编程通常是一项复杂且耗时的任务，但 Moku Cloud Compile 简化了在 Moku 硬件上编写和部署自定义代码的流程。Blue Sky 的 Christiansen 博士将 Moku Cloud Compile 的快速原型设计流程归功于其在信号处理和分析方面的出色表现。“我专门为这个项目推荐了 Moku:Pro，”Christiansen 博士说道，“其他设备的设计并没有考虑到 2025 年的需求。”

“它可以直接运行，我不用自己写样板代码，”他说，“Moku:Pro 让我们能够轻松地测试新想法，探索最终将集成到我们自己的 FPGA 平台中的校准策略。”

虽然 Moku Cloud Compile 和 Moku PID 控制器构成了实验反馈回路的骨干，但该团队还使用了 Moku 等调试工具示波器以及 Moku 数字滤波器用于预滤波信号。该团队的多I仪器并行模式配置如图1b所示。

结果

在改进的反馈回路到位后，该团队尝试以 1312.6 nm 高频稳频激光验证系统 (HFV) 作为参考，评估其激光锁定方法。在 HFV 到位后，该团队可以通过计算与 HFV 系统相比测量到的位移差异，系统地评估自由运行和未锁定干涉仪的精度。他们发现，相对误差从自由运行情况下的约 3 ppm 下降到锁定情况下的 0.04 ppm，其不确定度与大气折射率大致相同 [3]。

蓝天公司将干涉仪的精度提高了两个数量级，并积极致力于将其系统商业化，并希望看到它被用于未来的太空探测器，包括美国宇航局的PRIMA任务，该任务旨在开发远红外光谱技术，用于研究从星系形成到行星及其大气组成等课题[4]。

Christiansen 博士表示，“由于这个项目，Moku:Pro 已经成为我的首选实验和测量工具。”

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案例

[1] Hauser, MG 和 Dwek, E.，“宇宙红外背景：测量及其含义”，天文学和天体物理学年度评论 39(1)，249307 (2001)。

[2] A. Christiansen, D. Naylor 和 B. Gom. “低温距离分辨激光干涉仪的多轴应用”。《光子仪器工程 X》，12428:124280Z。（2023）。 DOI：10.1117 / 12.2647283.

[3] AJ Christiansen、DA Naylor、MA Buchan 和 BG Gom。“一种用于 FMCW 系统的新型激光频率稳定技术。” 引自： SPIE 13373 程序，光子仪器 工程学 XII, 133730C。（2025）。 DOI：10.1117 / 12.3040732.

[4] 加州理工学院。 https://prima.ipac.caltech.edu/.

致谢

这个程序 or 项目 or 该活动是在加拿大航天局的财政支持下进行的。