在本應(yīng)用指南中韧拒，我們將闡述如何使用Moku:Lab任意波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)Newport FSM-300快速控制反射鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光任意圖案的二維平面掃描十性。我們將以Liquid Instruments團(tuán)隊(duì)Danielle M. R. Wuchenich等人于Opt. Express 2014年的論文所展示的叛溢，有關(guān)重力回溯及氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星（GRACE）后續(xù)任務(wù)中，空間干涉儀光束的捕捉所需的掃描圖形為參考劲适。以CSV文件的形式將所需波形傳輸給Moku:Lab的任意波形發(fā)生器楷掉，并驅(qū)動(dòng)反射鏡系統(tǒng)在投影熒幕上展示這個(gè)圖案。
Moku:Lab任意波形發(fā)生器
二維任意圖案光束掃描
在本應(yīng)用指南中霞势，我們將闡述如何使用Moku:Lab任意波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)Newport FSM-300快速控制反射鏡系統(tǒng)烹植，實(shí)現(xiàn)激光任意圖案的二維平面掃描。我們將以Liquid Instruments團(tuán)隊(duì)Danielle M. R. Wuchenich等人于Opt. Express 2014年的論文所展示的愕贡，有關(guān)重力回溯及氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星（GRACE）后續(xù)任務(wù)中草雕，空間干涉儀光束的捕捉所需的掃描圖形為參考。以CSV文件的形式將所需波形傳輸給Moku:Lab的任意波形發(fā)生器固以，并驅(qū)動(dòng)反射鏡系統(tǒng)在投影熒幕上展示這個(gè)圖案墩虹。
Moku:Lab任意波形發(fā)生器
Moku:Lab任意波形發(fā)生器可以儲(chǔ)存并使用65,536個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來構(gòu)建任意波形，并以125 MS/s的速度產(chǎn)生信號(hào)憨琳。波形可以通過csv文件導(dǎo)入诫钓，或者通過高達(dá)32段的分段函數(shù)進(jìn)行定義。在高速模式下篙螟，任意波形發(fā)生器也可以使用8,192個(gè)點(diǎn)菌湃，以1 GS/s的速度進(jìn)行輸出，Z高輸出帶寬為300 MHz遍略。在脈沖模式下惧所，波形之間Z多可以有250,000個(gè)周期的死區(qū)時(shí)間场梆，使得系統(tǒng)在固定的間隔區(qū)間下以任意波形進(jìn)行激發(fā)。
掃描圖案
二維激光掃描在許多領(lǐng)域都是常見的需求纯路，比如激光掃描顯微鏡持际，遠(yuǎn)距離自由空間干涉儀以及激光雷達(dá)等偿短。在2018年的重力回溯及氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星（GRACE）后續(xù)任務(wù)中，NASA和DLR使用兩束激光，在離地球200 km的軌道上搭建了D1個(gè)空間激光干涉儀液荸。GRACE干涉儀可以測(cè)量宇宙飛船間小于微米級(jí)的的距離變化泼舱。在建立干涉儀時(shí)杯活，激光需要通過五個(gè)維度的掃描來捕獲目標(biāo)缨恒。類似的掃描在引力波試驗(yàn)，同源自由空間激光通訊搓逾，以及量子密鑰分發(fā)時(shí)也會(huì)用到卷谈。
在這個(gè)應(yīng)用指南中，我們將講述如何使用Moku:Lab任意波形發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的二維掃描圖案霞篡。在D1部分中世蔗，我們將展示如果導(dǎo)入波形，并使用示波器的X-Y模式檢測(cè)波形朗兵。在第二部分中污淋，我們會(huì)使用快速控制反射鏡系統(tǒng)來演示實(shí)際掃描效果。
Moku:Lab任意波形發(fā)生器
Moku:Lab任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生包括正弦余掖，高斯寸爆，指數(shù)上升，下降盐欺，sinc赁豆，心電圖等預(yù)先設(shè)定的波形。同時(shí)冗美，用戶也可以通過函數(shù)編輯器來編輯Z多32段的分段函數(shù)魔种。在這個(gè)應(yīng)用中，我們將使用csv文件導(dǎo)入我們通過MATLAB計(jì)算的波形墩衙。波形的Z長(zhǎng)長(zhǎng)度取決于輸出的采樣率务嫡。在125 MS/s的速度下，我們Z多定義65,536個(gè)點(diǎn)漆改。在1 GS/s的速度下，Z多可以使用8,192個(gè)點(diǎn)准谚。
二維波形的產(chǎn)生
在這份指南中挫剑，我們將產(chǎn)生一個(gè)等間距螺線掃描圖案。當(dāng)我們進(jìn)行二維掃描的時(shí)候柱衔，數(shù)據(jù)點(diǎn)與點(diǎn)之間擁有相等的密度樊破，以及每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)有相等的滯留時(shí)間至關(guān)重要愉棱。
圖1 : 非等間距與等間距的螺旋掃描圖案
如果我們使用隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的正弦函數(shù)，Z終得到的掃描圖案中點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距會(huì)隨著振幅的增加而增加哲戚。因?yàn)樵谶@種情況下奔滑，無論半徑大小，每圈的采樣點(diǎn)數(shù)量相同顺少。隨著半徑的增加朋其，點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距自然會(huì)增大（圖1）。因此脆炎，我們需要一個(gè)隨著振幅增加梅猿，頻率相對(duì)減小的函數(shù)。
我們通過MATLAB產(chǎn)生了這個(gè)等間距螺旋掃描所需的函數(shù)秒裕，并且將此函數(shù)的X-Y坐標(biāo)值儲(chǔ)存成csv文件袱蚓，通過SD卡導(dǎo)入了Moku:lab中。導(dǎo)入后的效果可以在圖2中看到几蜻。
圖2：通過SD卡導(dǎo)入的等間距二位螺旋掃描所需的波形
圖3 : 將函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的波形連接到另一臺(tái)Moku:Lab的示波器中喇潘，并使用示波器的X-Y模式觀察確認(rèn)信號(hào)
在產(chǎn)生波形后，我們將產(chǎn)生的雙通道信號(hào)連接到另一臺(tái)Moku:Lab的示波器中梭稚，并通過數(shù)學(xué)通道啟動(dòng)X-Y模式响蓉，以確認(rèn)圖形的成功產(chǎn)生。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試
光束掃描是建立遠(yuǎn)距離自由空間激光關(guān)聯(lián)的D1步哨毁。在這一部分中枫甲，我們將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的二維快速控制反射鏡系統(tǒng)來檢驗(yàn)Moku:Lab所產(chǎn)生波形的實(shí)際效果。
我們使用Newport的FSM-300反射鏡系統(tǒng)扼褪。它可以通過兩個(gè)±10 V的模擬信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)想幻，分別驅(qū)動(dòng)X與Y方向。因Moku的Z高輸出電壓為±1 V话浇，所以我們使用了兩個(gè)電壓放大器增大了輸出電壓脏毯。
圖4：Moku:Lab驅(qū)動(dòng)快速控制反射鏡系統(tǒng)產(chǎn)生掃描圖形
我們將所需儀器放置在光學(xué)臺(tái)上，并將所產(chǎn)生的掃描圖案投射到5米以外的投影熒幕上（圖5）幔崖。
圖5：實(shí)驗(yàn)設(shè)置
快速控制反射鏡系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬大約是2 kHz食店。當(dāng)掃描完成一個(gè)周期歸位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)擁有較大高次諧波的直線歸零運(yùn)動(dòng)赏寇。由于系統(tǒng)帶寬的限制吉嫩，當(dāng)我們使用3 Hz以上頻率掃描時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象嗅定。
在圖6中自娩，我們使用單反相機(jī)長(zhǎng)曝光模式，記錄了系統(tǒng)在1 Hz的速度下掃描產(chǎn)生的圖案渠退。
圖6：投影熒幕上所產(chǎn)生的掃描圖案
總結(jié)
任意波形掃描在在重力回溯及氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星所構(gòu)成的干涉儀中等項(xiàng)目中有著廣泛的應(yīng)用忙迁。在掃描捕獲的過程中脐彩，一個(gè)等密度的掃描圖案是至關(guān)重要的。在這個(gè)應(yīng)用指南中姊扔，我們使用MATLAB產(chǎn)生了等密度掃描的波形惠奸，并使用Moku:Lab任意波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)了快速控制反射鏡，產(chǎn)生了等間距螺旋掃圖案恰梢，并投射到了投影屏上佛南。從而展示了Moku:Lab在使用任意波形掃描的應(yīng)用潛力。
參考文獻(xiàn)：
[1] Danielle M. R. 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, and Daniel A. Shaddock, "Laser link acquisition demonstration for the GRACE Follow-On mission," Opt. Express 22, 11351-11366 (2014)
[2] Moku:Lab’s Arbitrary Waveform Generator user manual https://www.liquidinstruments.com/arbitrary- waveform-generator/
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