本应用说明解释了 Moku:Lab 如何使用任意波形发生器仪器使用从 .CSV 文件导入的数据生成波形模式。 这些波形用于在 X 和 Y 平面上引导激光束，以创建类似于用于 GRACE Follow-On 任务的扫描模式。
注意：本应用说明适用于 Moku:Lab 软件版本 1.9。
任意波形生成
Moku:Lab 任意波形发生器 (AWG) 可以在 65,536 MSa/s 的采样率下生成多达 125 个点的自定义波形。 波形可以从文件加载，或作为最多 32 段的分段数学函数输入，使您能够生成真正的任意波形。 在脉冲模式下，可以输出脉冲之间有超过 250,000 个周期的死区时间的波形，使您能够在较长的时间段内定期用任意波形激励您的系统。
扫描模式
许多应用都需要 2D 激光扫描图案，例如显微镜、远程自由空间干涉测量和 LiDAR。 2018 年，GRACE Follow-On 任务在两个相距 200 公里的绕地球轨道运行的航天器上使用两个激光束，建立了第一个航天器间激光干涉仪。 GRACE Follow-On 干涉仪能够测量航天器间隔的亚微米变化。 在建立链接之前，激光必须通过扫描 5 维空间来找到彼此； 每个激光束的倾斜和倾斜，以及激光的频率差 [1]。 LISA 引力波探测器以及相干自由空间激光通信和光学量子密钥分发链路（例如从地面到太空）可能需要类似的采集扫描。
本应用说明将介绍如何使用 Moku:Lab 任意波形发生器生成复杂的 2D 扫描图案。 首先，我们将展示如何将 AWG 波形加载到 Moku:Lab，以便在 XY 模式下在示波器上进行可视化。 接下来，我们添加一个快速转向镜和一个激光系统，以产生适合采集系统的任意扫描模式。
Moku:Lab 任意波形发生器仪器
Moku:Lab 任意波形发生器可以从预设波形、输入方程或从文件导入的点生成双通道自定义模式。 支持从 1 mHz 到 125 MHz 的输出频率。 脉冲输出可以配置为脉冲之间的死区时间高达 250,000 个周期。
预设波形包括正弦波、高斯波、指数上升波、指数下降波、sinc 和心波。 方程式模式支持多达 32 个来自复杂分段函数的段。
对于此应用，我们使用任意波形发生器的自定义模式并从存储在 SD 卡上的 .CSV 文件加载波形点。 存储波形的最大长度取决于所需的输出速率。 在 125 MSa/s 时，您的波形最多可以有 65,536 个点，在 1 GS/s 时最多可以有 8192 个点。
生成二维扫描图案
我们在此应用中测试的扫描模式是恒定密度螺旋扫描。 在二维空间上扫描时，重要的是要确保每个点都以相同的扫描密度进行询问，并且在每个点停留的时间相同。
通过随时间线性增加振幅而创建的螺旋扫描将导致扫描点之间的距离随着振幅的增加而增加。 这是因为给定半径的圆周围的采样点数是恒定的。 相反，我们需要的是频率随振幅增加而降低的扫描，这样无论振幅如何，密度和驻留时间都是恒定的（见图 1）。
图1： 非恒定密度扫描与恒定密度模式
我们在 MATLAB 中创建了一个恒定密度扫描模式，并将 X 和 Y 坐标以 .CSV 格式保存到 SD 卡中。 使用 Moku:Lab 任意波形发生器，我们随后导入文件并将这些 X 和 Y 位置命令生成到输出通道 1 和通道 2（图 2）。 请注意，使用 SD 卡并不是导入所需波形的唯一方法——也可以使用通过 Dropbox、电子邮件或 iPad 的“我的文件”上传文件 [2]。
图2： 使用 Moku:Lab 任意波形发生器配置输出通道以驱动 X 和 Y 位置坐标
图3： Moku:Lab 示波器在 XY 模式下，确认螺旋扫描模式的输出
为确认任意波形发生器在 10 Hz 和 2 V 下正确生成模式，我们使用了第二个 Moku:Lab 在 XY 模式下运行示波器（图 3）。
激光螺旋扫描演示
采集扫描模式是建立远程自由空间激光链路不可或缺的一部分。 为了展示我们的螺旋扫描模式作为潜在的链路采集平台，我们建立了一个简单的波束控制系统，Moku:Lab 使用任意波形发生器控制波束。
对于光束转向，我们使用了 Newport FSM-300 快速转向镜。 它可以提供模拟 ±10 V 信号，以分别控制反射镜在 X 和 Y 平面中的倾斜。 由于 Moku:Lab 的输出范围为 ±1 V，我们在每个通道上使用两个放大器来增加驱动信号的幅度（图 4）。 我们这样做是为了在最大转向范围内驱动转向镜，以最大化我们的扫描区域。
图4： Moku:Lab 为快速转向镜生成 X 和 Y 扫描模式的设置图
我们在实验室的光具座上安装了组件（图 5），并将投影仪屏幕放置在距转向镜约 5 m 的位置。
图5： 实验装置
快速转向镜具有高达约 2 kHz 的模拟带宽。 请注意，我们生成的螺旋扫描模式并非在同一点开始和结束——有一条明显的直线将螺旋的内部与外部连接起来。 这种方向的急剧变化导致比螺旋扫描频率高得多的频率谐波。 当我们以 3 Hz 或更高的频率运行扫描时，直线开始弯曲，因为急转弯所需的高次谐波超出了转向镜的带宽。
我们用数码单反相机拍摄了一张 1 赫兹的扫描图案照片（图 6）。
图6： 在投影仪屏幕上看到的扫描图案
结论
采集扫描模式是建立远程自由空间激光链路的一个重要方面，例如 GRACE Follow-On 中的激光链路。 需要在整个询问区域进行恒定密度扫描，这通常会导致使用任意波形模式。 我们在 MATLAB 中创建了一个恒定密度的螺旋扫描模式，然后将其通过 SD 卡导入到 Moku:Lab 任意波形发生器中。 然后我们用它来驱动一个快速转向镜，该镜使用螺旋扫描模式将可见的红色激光引导到投影仪屏幕上。 这展示了 Moku:Lab 设备产生任意复杂波形的能力，这些波形可用于自由空间激光链路的采集扫描模式
深入阅读
[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 和 Daniel A. Shaddock，“GRACE 后续任务的激光链路采集演示”，选择。 快递 22, 11351-11366 (2014)
[2] Moku:Lab任意波形发生器用户手册 https://www.liquidinstruments.com/arbitrary-waveform-generator/
