介绍

任意光粒子搜索 (ALPS) 是德国电子同步加速器 (DESY) 的一个研究小组，DESY 是一家位于汉堡的世界知名基础科学研究机构，也是德国最大的加速器中心（图 1）。 遵循该机构的座右铭“物质的解码”，博士后研究员托德·科兹洛夫斯基正在开展轴子探测项目，以更好地理解宇宙中暗物质等物理现象。 托德和阿克塞尔·林德纳（Axel Lindner）领导的 ALPS 研究小组的其他成员正在开发包括描述宇宙的新光粒子在内的理论，并利用红外干涉测量和极弱信号的外差传感来扩展公认的粒子物理模型。 该小组的任务目标是“让光线穿过墙壁”，旨在探测称为弱相互作用亚电子伏特粒子（WISP）的粒子，或更具体地说，轴子。 当激光被墙壁阻挡时，轴子可以穿过。

图1： ALPS 团队成员正在调整光学平台。

使用四个 Moku:Lab 设备和一个 Moku:Pro 设备上，托德和他的团队在他们的研究目标上取得了令人难以置信的进展。 Moku:Lab 和 Moku:Pro 是基于 FPGA 的一体化设备，可提供超过 14 种测试仪器，包括常见的工作台必需品，例如 示波器/电压表 和 频谱分析仪，到强大的光学仪器，如 锁相放大器 和 激光锁频/稳频器.

挑战

托德的小组正在尝试将激光频率稳定到具有非常高的单位增益频率和非常窄的线宽的光学腔。 事实上，该腔体的线宽是世界上所有光学腔体中最窄的，因此很难锁定（图 2）。 与许多光学研究人员一样，该团队采用手工构建模拟系统的方式，但他们很快意识到该系统无法满足实验的灵活性要求。  

此外，该团队正在寻找来自轴子的再生光子信号，这些轴子作为节拍音符印在腔体的反射中。 这些场非常弱； 等效功率是每天测量的单个光子的水平​​。 除此之外，光粒子转变为轴子的概率只有 1:1014，这意味着团队不能丢失任何宝贵的数据。

图 2：125 米长的双镜光学腔的再生腔 (RC) 存储时间（即激光在镜之间保持循环的时间）的世界纪录。

解决方案

Todd 和他的团队立即发现 Moku 不仅仅是一个直观的用户界面，它还是一个专业级的解决方案，可提供一整套高性能仪器来加速尖端科学的发展。 通过用 Moku 取代模拟电子器件，团队看到了灵活性的提高以及快速迭代设计的能力，同时简化了数据记录，从而快速消除了与采用软件定义仪器相关的任何犹豫。 除了易于与他们的实验集成之外，Moku 还能够直接与他们定制设计的科学级模拟仪器的精度相匹配。 他们利用锁相放大器、数字滤波器盒、激光锁盒等立即取得了成果（图 3）。

图3：ALPS 团队成员在 DESY 的洁净室中工作。

通过切换到 Moku:Lab 和 Moku:Pro，研究人员可以使用 Pound-Drever-Hall (PDH) 技术立即将激光频率锁定到腔体，有效地替换他们的系统，以便团队有时间进一步优化它。 由于托德的团队不仅要将激光频率锁定到光腔，还要检测极其微弱的信号，因此在寻找锁定放大器时，他们再次转向 Moku 仪器。

“我不知道我们是否可以设想一种更好的方法来获取这些数据，”托德说。 “Moku 是一个自然的选择。” 

两台 Moku 设备使用频谱分析仪监测装置的锁相，分析低至 µV 级别的信号，以确保系统保持在所有激光器相互跟随的“锁定”状态。 从这里开始，另外两个 Moku 设备操作锁定放大器仪器，使用外差干涉测量法读取这些电压在亚 nV 范围内的信号。

结果

托德和他的团队可以在两个光场（一个强场和一个非常弱的场）之间产生极其微弱的节拍音符信号。 它们的干扰产生的小节拍音符入射到光电探测器上，然后由 Moku:Lab 锁相放大器进行测量（图 4）。 该解决方案以预期的发生频率解调信号，使托德能够在数小时内将非常低的信号速率从外差混合的弱场解析到单个光子的数量级。 这些信号只有在数小时的数据记录完成后才会自行消失 - 这些数据均由嵌入锁定放大器内的数据记录器仪器获取，无需额外昂贵的仪器即可将信号信息记录到 SD 卡上，以确保可靠的信号信息。数据记录。

图 4：该团队使用 Moku:Lab 设备（右）将激光频率稳定到 125 米长的光学腔。

研究人员还能够使用 Moku:Pro 解决不可预见的挑战，包括当他们的实验架构发生微小变化而导致需要锁相环 (PLL) 时。 他们可以快速将 Moku:Pro 实时实现为 PLL，并避免因需求变化而遇到障碍。 

“我们很快就需要一个解决方案，”托德说。 “Moku:Pro 被插入，从它被带入洁净室到循环运行，花了几个小时。” 

借助 Moku:Pro，团队可以轻松地在多仪器模式下使用激光锁箱和频谱分析仪仪器来分析所需的节拍音符，同时保持锁定。

结论

为了推进他们的研究，Todd 和他的团队需要灵活的测试设备，适用于多种应用，并满足他们对时钟稳定性、模数转换器 (ADC) 噪声和数模 (DAC) 的规范需求噪音。 Moku 平台满足了这些要求，同时提供了关键仪器，为团队提供了监测信号、记录数据和克服物理学中一些最大测量挑战的新方法。 

该团队计划在实验中继续使用 Moku 设备。 他们目前正在制定一项通过 API 控制设备的计划。 到目前为止，他们已经集成了六台完全远程控制的 Moku 设备，可以进行测量和传输数据。 他们通过 DESY 的全局控制系统实现了这一目标，该系统使用 Moku Python API（图 5）来控制六台 Moku 设备和五台不同的仪器。

图 5：该团队使用 Python GUI 通过 DESY 的全局控制系统管理多个仪器和多个 Moku 设备。

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