एक लेज़र स्थिरीकरण प्रणाली का निर्माण करने का अर्थ एम्पलीफायर में एक भारी, महंगे एनालॉग लॉक को सुरक्षित करना था। प्रभावी होते हुए भी, ये सिस्टम आधुनिक डिजिटल दृष्टिकोण की तुलना में लचीलेपन, विलंबता और एकीकरण में सीमित हो सकते हैं। डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग का लाभ उठाने वाले डिजिटल उपकरण अपने पूर्ववर्तियों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं, जैसा कि वास्तविक विश्व केस अध्ययनों से पता चला है। क्या लेजर स्थिरीकरण का भविष्य डिजिटल है?
लेजर स्थिरीकरण आवश्यक है. कई लेजर स्थिरीकरण सेटअपों में, आवृत्ति विचलन का प्रतिनिधित्व करने वाला सिग्नल बेहद कमजोर होता है और अक्सर पृष्ठभूमि शोर में दब जाता है। पर्यावरणीय गड़बड़ी और डिटेक्टर शोर आसानी से माप पर हावी हो सकते हैं, जिससे त्रुटि सिग्नल का विश्वसनीय निष्कर्षण चुनौतीपूर्ण हो जाता है।
दिखावे के बावजूद, लेजर पूरी तरह से शुद्ध रंग और निरंतर शक्ति का उत्पादन नहीं करते हैं। चूँकि वे अपने पर्यावरण के प्रति संवेदनशील होते हैं, तापमान, कंपन, दबाव या बिजली की आपूर्ति में छोटे बदलाव से लेजर की आवृत्ति में बहाव और शक्ति में उतार-चढ़ाव हो सकता है। यहां तक कि छोटे-मोटे बदलावों का भी प्रयोगशाला और शैक्षिक सेटिंग्स पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।
उच्च-परिशुद्धता अनुप्रयोगों, जैसे उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए, यह अस्थिरता अस्वीकार्य है। व्यक्तियों को सक्रिय रूप से उतार-चढ़ाव को ठीक करने और लेजर के आउटपुट को अत्यधिक स्थिर बाहरी संदर्भ में लॉक करने के लिए लेजर स्थिरीकरण प्रणालियों का उपयोग करना चाहिए।
लेज़र को स्थिर करने की सामान्य विधि फीडबैक लूप है। प्रकाश का एक नमूना अलग कर दिया जाता है और एक स्थिर संदर्भ में भेजा जाता है, और एक डिटेक्टर स्थिर संदर्भ की तुलना में लेजर की आवृत्ति को मापता है। शून्य का त्रुटि संकेत इंगित करता है कि लेजर संदर्भ स्थिति में बंद है, जबकि शून्य से ऊपर या नीचे विचलन आवृत्ति बहाव को इंगित करता है।
त्रुटि संकेत अक्सर अविश्वसनीय रूप से फीके होते हैं क्योंकि वे पृष्ठभूमि शोर में दब जाते हैं। इसे निकालने का पारंपरिक तरीका एम्प्लीफायर में एनालॉग लॉक के साथ है, एक भौतिक बॉक्स जो विशेष रूप से एक निर्दिष्ट आवृत्ति पर सिग्नल देखने के लिए तैयार किया गया है।
एम्प्लीफायरों में एनालॉग लॉक के साथ समस्याएँ
अतीत में, लेज़र स्थिरीकरण प्रणाली बनाने का मतलब एम्पलीफायर में एक स्टैंडअलोन एनालॉग लॉक खरीदना था, जिसे भौतिक रूप से डिटेक्टरों और अन्य इलेक्ट्रॉनिक मॉड्यूल से जोड़ा जाना चाहिए। यह प्रभावी लेकिन अनम्य था. मॉड्यूलेशन आवृत्ति को बदलने के लिए पेशेवरों को हार्डवेयर को संशोधित या बदलना पड़ा।
एम्पलीफायरों में एनालॉग लॉक दशकों से संवेदनशील माप के लिए मूलभूत रहा है, क्योंकि वे अत्यधिक शोर वाले वातावरण से कमजोर सिग्नल निकाल सकते हैं, जहां सटीक डेटा पुनर्प्राप्ति अनिवार्य है। उन्होंने प्रभावी ढंग से अपना उद्देश्य पूरा किया, लेकिन बढ़ती प्रदर्शन अपेक्षाओं को पूरा करने के लिए उन्हें कड़ी मेहनत करनी पड़ रही है। उपयोगकर्ता ऑपरेटिंग फ़्रीक्वेंसी रेंज, फ़िल्टर प्रकार और समय स्थिरांक सहित डिवाइस के मुख्य कार्यों और सेटिंग्स को आसानी से नहीं बदल सकते हैं।
एम्पलीफायरों में डिजिटल लॉक {{0}सटीक फ़िल्टरिंग और मल्टीफ़्रीक्वेंसी डिमॉड्यूलेशन के लिए डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग एल्गोरिदम के माध्यम से इनपुट सिग्नल को डिजिटलीकृत करता है {{1}घटक बहाव के बिना। वे उच्च प्रदर्शन, वास्तविक समय, समानांतर गणितीय संचालन के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
डिजिटल कार्यान्वयन एक डिजिटल डिवाइस पर कोड में बॉक्स में एनालॉग लॉक के संपूर्ण कार्य को दोहराता है। यह वास्तविक समय में त्रुटि संकेत निकालने के लिए संख्याओं को फ़िल्टर और संसाधित करता है, और एक डिजिटल {{2} से {{3} एनालॉग कनवर्टर फिर लेजर को सही करने के लिए आवश्यक वोल्टेज बनाता है। यह दृष्टिकोण प्रदर्शन और कार्यक्षमता में एनालॉग कार्यान्वयन को पार कर सकता है, विशेष रूप से लचीलेपन और एकीकरण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में।
डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग के मूल सिद्धांत
आधुनिक दृष्टिकोण एम्पलीफायर के मुख्य कार्यों में लॉक को डिजिटाइज़ करना है। एक उच्च{{2}स्पीड एनालॉग{{3}से{{4}डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) डिटेक्टर से शोर वाले एनालॉग सिग्नल को डिजिटल डेटा की एक धारा में परिवर्तित करता है। डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग इस जानकारी पर गणितीय कार्य करता है। वास्तविक समय में त्रुटि संकेत निकालने के लिए आउटपुट को फ़िल्टर और संसाधित किया जाता है।
सिग्नल को डेटा में बदलना.एडीसी एक सतत एनालॉग इनपुट सिग्नल को संख्याओं की एक अलग श्रृंखला में परिवर्तित करता है। उच्च, निश्चित दर पर इनपुट वोल्टेज का नमूना लेने से एक डेटा स्ट्रीम उत्पन्न होती है जो मूल तरंग का अनुमान लगाती है। इसका उद्देश्य इनपुट सिग्नल की तुलना एक संदर्भ, आमतौर पर साइन तरंग से करना है।
ऐसा करने के लिए, सिस्टम इनपुट सिग्नल को विभाजित करता है। दोनों को संदर्भ और 90{2}डिग्री चरण{{4}स्थानांतरित प्रतिलिपि के साथ अलग-अलग गुणा किया जाता है। एनालॉग उपकरणों के विपरीत, डिजिटल तकनीक सिग्नल को विभाजित करते समय सिग्नल के शोर अनुपात के नुकसान को समाप्त कर देती है। फिर ये सिग्नल शोर हटाने और डेटा औसत के लिए समान डिजिटल लो-पास फिल्टर से गुजरते हैं।
डिमोड्यूलेशन प्रक्रिया का आउटपुट दो स्थिर प्रत्यक्ष धारा मान है। उन्हें साफ करने के लिए, आप कैस्केड इंटीग्रेटर कॉम्ब (सीआईसी) या परिमित आवेग प्रतिक्रिया (एफआईआर) जैसे डिजिटल फिल्टर का उपयोग करते हैं, जो उच्च आवृत्ति संकेतों को दबा देना चाहिए और शोर से मुक्त प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) सिग्नल उत्पन्न करना चाहिए।
सफाई संकेत.सीआईसी लोकप्रिय है क्योंकि इसमें फ़िल्टर गुणांक भंडारण या गुणन की आवश्यकता नहीं होती है। यह सबसे सरल गणनाओं पर निर्भर करता है। इन फ़िल्टर को लागू करने के लिए आपको केवल घटाव और जोड़ की आवश्यकता होती है। आप एफ़आईआर की तुलना में काफी कम कम्प्यूटेशनल जटिलता के साथ कम - पास फ़िल्टरिंग भी प्राप्त कर सकते हैं।
जबकि एफआईआर का अभी भी उपयोग है, इसके लिए बेहद कम कटऑफ फ्रीक्वेंसी की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप जटिल संचालन, काफी संसाधन खपत और उच्च विलंबता होती है। यदि आप एफआईआर पसंद करते हैं, तो आप दोहरे फ़िल्टर के साथ अनुकूलन कर सकते हैं जो एक गुणांक तालिका साझा करते हैं। यह विधि बेहतर प्रदर्शन, कम कम्प्यूटेशनल जटिलता और कम संसाधन उपयोग प्रदान करती है।
न्यूनतम विलंब.मिश्रण के बाद, सिग्नल अभी भी शोर हो सकता है। इसे साफ करने के लिए, लॉक इन को सिग्नल को औसत करना होगा। औसत बनाना देरी का एक सामान्य स्रोत है क्योंकि, स्वभाव से, यह तुरंत नहीं बदल सकता है और इसे समय के साथ मापा जाना चाहिए।
यदि आप बहुत कम समय अंतराल का औसत रखते हैं, तो आउटपुट परिवर्तनों पर बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करेगा, लेकिन आप अधिक शोर को फ़िल्टर नहीं करेंगे। इसके विपरीत, लंबी अवधि का औसत प्रभावी ढंग से शोर को खत्म कर देगा और एक साफ और स्थिर परिणाम देगा, लेकिन वास्तविक सिग्नल बदलने पर प्रतिक्रिया देने में लंबा समय लगेगा।
समय स्थिरांक सेट करें-जो मापता है कि कोई सिस्टम इनपुट पर कितनी तेजी से प्रतिक्रिया करता है-बहुत कम मान पर। हालाँकि आपका आउटपुट शोर-शराबा वाला हो सकता है, यह किसी भी बदलाव पर लगभग तुरंत प्रतिक्रिया देगा। जैसे-जैसे आप धीरे-धीरे समय स्थिरांक बढ़ाएंगे, आउटपुट में देरी होने लगेगी। न्यूनतम संभव औसत समय प्राप्त करने के लिए, विश्वसनीय माप के लिए सिग्नल पर्याप्त रूप से स्थिर होने पर रुकें।
डिजिटल कार्यान्वयन के लाभ
एम्पलीफायरों में डिजिटल लॉक के साथ, प्रयोगशाला पेशेवर केवल कोड की एक पंक्ति को संपादित करके पैरामीटर बदल सकते हैं, जैसे फ़िल्टर सेटिंग्स, मॉड्यूलेशन फ़्रीक्वेंसी और लाभ, {{2)। किसी भी हार्डवेयर को छूने की जरूरत नहीं है. डिजिटल नियंत्रण अधिक जटिल, अनुकूली स्थिरीकरण तकनीकों को सक्षम बनाता है जिन्हें एनालॉग घटकों के साथ लागू करना मुश्किल या असंभव है।
अधिक सहज होने के अलावा, यह प्रणाली आम तौर पर अधिक किफायती है। एक एकल प्रोग्राम योग्य उपकरण एनालॉग घटकों वाले कई विशेष इलेक्ट्रॉनिक बक्सों की तुलना में काफी सस्ता होगा। वास्तविक दुनिया में, डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग के साथ लेजर स्थिरीकरण प्रणालियाँ कुशल, शक्तिशाली और लागत प्रभावी हैं।
उदाहरण के लिए, स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी (एसपीएम), माइक्रो- और नैनोस्केल सतह टोपोलॉजी मानचित्र प्रदान करती है। आमतौर पर, स्कैनिंग पॉइंट लेआउट को आयताकार स्थलाकृति रेखापुंज पैटर्न के भीतर परिभाषित किया जाता है। इस रणनीति का जोखिम यह है कि अपर्याप्त स्कैनिंग घनत्व के कारण मूल्यवान डेटा छूट सकता है। साथ ही, जब कम रिज़ॉल्यूशन पर्याप्त होगा तो सिस्टम डेटा से अभिभूत हो सकता है।
एक नियंत्रक जो अनुकूली स्कैनिंग का समर्थन करता है, डेटा अधिग्रहण को अधिक कुशल बनाता है। एक मामले के अध्ययन से पता चला है कि कम लागत वाला डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर भी 16{9}}, 18{10}} और 20-बिट ऑपरेशन को सक्षम करने के लिए अत्याधुनिक वाणिज्यिक माइक्रोस्कोप के राज्य {{2} के साथ तुलनीय प्रदर्शन प्राप्त कर सकता है। इस प्रयोग ने शक्तिशाली उपकरण बनाने के लिए लचीले, ऑफ-द-शेल्फ घटकों का उपयोग करने की क्षमता का प्रदर्शन किया।
अधिक बिट गहराई का मतलब है कि नियंत्रक बहुत कम ऊंचाई के अंतर को माप सकता है। नैनोस्केल पर इमेजिंग के लिए छोटी विशेषताओं का पता लगाने के लिए अत्यधिक सटीकता की आवश्यकता होती है, और बेहतर नियंत्रण और माप के लिए मूल 14-बिट रिज़ॉल्यूशन को 18- और 20-बिट तक बढ़ाने के लिए बोर्ड पर एक कस्टम सिस्टम का उपयोग किया जाता है।
लेजर स्थिरीकरण प्रणाली प्रोटोटाइप
आवृत्ति संश्लेषण और चरण संवेदनशील पहचान (चित्र देखें) के कारण एम्पलीफायरों में डिजिटल लॉक अपने एनालॉग समकक्षों की तुलना में काफी अधिक सटीक है। अतिरिक्त कार्यान्वयन जटिलता के बावजूद, डिजिटल कार्यान्वयन अधिक लचीलापन और मापनीयता प्रदान करता है। एनालॉग उपकरणों को डिज़ाइन करते समय, एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक्स की सीमाओं के कारण कुछ त्रुटियों को कम करना मुश्किल होता है।
चाहे क्वांटम ऑप्टिक्स शोधकर्ता जटिल फीडबैक नेटवर्क बनाने के लिए डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग का उपयोग करें या विश्वविद्यालय प्रयोगशालाएं छात्रों को लेजर भौतिकी के सिद्धांत सिखाएं, ये लेजर स्थिरीकरण प्रणाली स्पष्ट रूप से अपने एनालॉग समकक्षों से बेहतर हैं।
एक प्रभावी प्रणाली बनाने के लिए, व्यक्तियों को गंदे, पुराने हार्डवेयर से दूर स्मार्ट, लचीले सॉफ़्टवेयर की ओर बढ़ना चाहिए। प्रोटोटाइप करते समय, उन्हें प्रतिक्रिया समय और त्रुटि सिग्नल स्थिरता को संतुलित करने के लिए फ़िल्टर के समय को यथासंभव कम से कम सेट करना होगा। स्थिरीकरण फीडबैक लूप लेज़र के बहाव से तेज़ होना चाहिए।
एक अच्छा लॉक इन माप एक इष्टतम संदर्भ सिग्नल पर आधारित होता है। बाहरी संदर्भ का उपयोग करते समय, उन्हें यह सुनिश्चित करना होगा कि आवृत्ति अच्छी तरह से परिभाषित है और चरण शोर से मुक्त है। पहले से ही कुछ गुणवत्ता आश्वासन उपाय करने के बाद, उनका सिस्टम अधिकांश कार्य संभाल लेगा। यदि समायोजन की आवश्यकता है, तो यह कोड की एक पंक्ति को बदलने जितना आसान है।
डिजिटल कार्यान्वयन की ओर बदलाव
लेजर को स्थिर करने के लिए काफी शोर के माध्यम से बहुत कमजोर त्रुटि संकेत का पता लगाने की आवश्यकता होती है। एम्पलीफायर में एक लॉक इसे निकालने में उत्कृष्ट होता है, लेकिन सभी को समान नहीं बनाया जाता है। एक डिजिटल, सॉफ़्टवेयर परिभाषित प्लेटफ़ॉर्म भारी, महंगे हार्डवेयर की जगह लेता है, और प्रोटोटाइपिंग और कार्यान्वयन को तेज़, सस्ता और अधिक लचीला बनाता है (चित्र देखें. 2)।
सटीकता की खोज में, एम्पलीफायर में एक बार प्रचलित एनालॉग लॉक अब पुराना हो गया है। अभी भी प्रयोग योग्य होने के बावजूद, इसका आधुनिक समकक्ष स्पष्ट रूप से बेहतर है। चाहे आप अभी भी 1970 के दशक के एम्पलीफायरों में एनालॉग लॉक का उपयोग कर रहे हों या अपने पहले डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग प्रोजेक्ट पर काम कर रहे हों, आप आसानी से अपग्रेड को उचित ठहरा सकते हैं।
