武汉精密测量院团队利用Moku:Pro推动超快光谱学研究

▍应用案例         

借助 Moku:Pro 推动傅里叶变换超快光谱学研究

▍介绍           

傅立叶变换超快光谱 (FTUS) 是一项强大的技术，由于测试速度快和精度高已经彻底改变了科学家捕捉和分析光谱的方式。利用傅立叶变换的原理，FTUS 通过采用对参考信号施加干扰的方法，有效地将复杂的信号分解为其频率分量。此方法可以对光谱进行全面地采集并包含所有相关频率信息，而无需对单个波长或者频率进行逐次扫描。

传统的色散光谱依靠棱镜或者衍射光栅测量光强来作为波长的函数，FTUS 与之相比不受串行扫描的限制，使其成为各种不同科学和工程领域不可或缺的工具。快速、准确地获取完整光谱的能力使得 FTUS 脱颖而出，并提供了诸如快速数据收集，高光谱分辨率和高灵敏度检测微弱信号的能力等优势。它的影响遍布多个领域，从材料表征到生物学研究，精确的光谱分析对这一些应用研究的进步和突破至关重要。

中国科学院武汉精密测量院团队使用 Moku:Pro，一种基于 FPGA 的先进测试设备，它提供了超过13种软件定义的仪器，涵盖实验室工作台常见的仪器到特定的专业仪器，以简化实验室的仪器配置。余少刚博士在其各种稳定类实验配置中采用Moku锁相放大器和 Moku 云编译等精密仪器，推进了团队的研究。

▍面临挑战        

尽管傅立叶变换超快光谱学技术非常有效，但科研人员仍然在持续研究出更高灵敏度、高分辨率和高效的 FTUS 技术。FTUS 技术的关键在于干涉仪臂长，它极易受到环境噪声的影响，包括来自机械振动的和气流的。即使微小的干扰也能引起光程长度和干涉相位的变化，从而影响信号测量的灵敏度和信噪比(SNR)。所以，实现稳定的干涉臂长度锁定机制对于推进 FTUS 技术发展尤为重要。

现行的办法侧重于使用一束与 FTUS 激励激光同轴传播的参考激光。通过精确地监测和锁定参考激光的干涉条纹抖动，研究人员可以获得所需的干涉臂长的稳定度。然而，一个重大的挑战在于参考激光虽然在稳定干涉仪臂长方面起到了关键作用，但却不能用于激发样品。有一种解决办法是在实验中一般会采用波长与激励激光明显不同的参考激光。然而，这个办法也带来了一个显著的缺点 - 与激励激光相比，参考激光实际上所经历的相位抖动存在大量差异。这种差异严重制约了 FTUS 技术指标的提升和它更广泛的应用范围，迫使研究人员创新和改进方法，才能在复杂的实验和实际应用中获得最优的结果。

▍解决方案           

为了解决这个问题，中科院精密测量科学和技术创新研究院的研究员余教授和他的团队利用 Moku:Pro 的多仪器并行模式与超稳定参考激光器相结合。他们使用锁相放大器实时地解调并测量干涉相位，同时使用 Moku 云编译部署自定义算法，该功能适用于所有 Moku 产品，它让用户访问设备内的 FPGA来启用自定义的功能。使用 Moku 云编译，用户只需要通过 Web 浏览器编写他们所需要的代码，在云端编译，然后在程序端部署编译好的 bitstream 到一台或者多台 Moku 设备上。为了给用户创造最大灵活性，用户可以基于我们提供的示例编程，或者使用 Simulink，抑或 MATLAB 和 HDL coder 等兼容工具来用 HDL 语言编写代码。

这种灵活性让余教授能实时地变换相位，能够在不同的波长条件下精确地确定相位信息并让数据采集和记录更加容易地无缝衔接上来。这个解决方案成功缓解了因激光波长内明显差异带来的相位抖动造成的挑战，最终推动了FTUS 技术往更高灵敏度、高分辨率和高效发展。

更值得注意的是，这个简易的过程只需要一台 Moku:Pro 设备，因为它充分利用了设备强大的多仪器并行模式，实现相位测量、相位变换和全方位的数据采集的功能。图1和图2描述了多仪器并行模式配置和锁相放大器的设置。在这个系统里，锁相放大器和 Moku 云编译协同工作来执行相位变换。随后插槽3上的第二个锁相放大器使用变换后的相位信号来解调输入信号。所得到的解调数据然后被插槽4上的数据采集仪采集并用作后续处理。这项研究带来了一种新颖的算法来促进 FTUS 技术领域的发展，这个算法是通过 Moku 云编译来实现的。该测量方法的开发代表了 FTUS 技术持续改善的一个重要里程碑，极大地拓宽了其潜在应用领域。它的深远影响遍布各种各样的科学领域，包括物理、化学、生物学和天文学研究，FTUS 技术在这些领域具有巨大的价值和进一步进步和突破的广阔前景。

图2: FTUS 使用带有 500 Hz 的低通滤波器和外部参考模式 (PLL) 的锁相放大器设置

▍结果       

在对图3展示的解调后的数据上执行快速傅立叶变换，团队成功地获得了一个高信噪比的精确光谱(如图4所示)。高精度的光谱反应了被分析粒子的物理特性。

图3: 使用锁相放大器内置的数据采集仪获得的解调后结果

在图4中，蓝色线条对应使用 700 nm 波长的激光获得的数据，跟我们的目标波长相差 74 nm。在另一方面，红色线条代表使用 800 nm 波长的激光用于解调获得的数据。显而易见，红色线条比蓝色线条展现了更佳的信噪比。这一改善可以归功于红色线条上的激光波长更接近于目标波长，只相差48 nm，从而在最终的结果上获得更少的相位扰动。

通过使用 Moku:Pro 实现相位变换的能力，研究人员能精细地调节解调信号的波长来跟目标波长无限接近对齐。因此，信噪比被更进一步增强，提供了在微弱信号测量和高噪声环境下运行的巨大优势。这凸显了 Moku:Pro 促进 FTUS 技术领域发展的能力和潜力。

图4: 快速傅立叶变换 (FFT) 后的频谱结果

回顾团队取得的研究成果，余教授对 Moku:Pro 的性能和灵活性赞赏有加。他说：“Moku:Pro 通过软件定义仪器不仅提供了强大的仪器功能(例如锁相放大器)，而且多仪器并行模式和 Moku 云编译又为我们带来了前所未有的灵活性，两者的结合帮助我们完成了在过去看来非常困难的实验。”

内容转载自微信公众号：Moku实验室

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