穿墙透光：了解德国电子同步加速器中心（DESY）如何利用Moku进行轴子探测实验

▍介绍

Any Light Particle Search II (ALPS) 德国电子同步加速器中心（DESY）的一个研究实验组，DESY是世界著名的基础科学研究机构，位于汉堡，是德国最大的加速器中心（图1）。秉承该机构的座右铭 "物质解码"，博士后研究员Todd Kozlowski正在开展轴子探测项目，以更好地了解宇宙中的暗物质等物理现象。在已经广为接受的粒子物理学基础上，Todd和由Axel Lindner领导的ALPS研究小组的其他成员正在开发包括新光粒子在内的理论来描述宇宙，利用红外干涉和外差法对极微弱信号进行探测来对现有理论进一步探索。该研究小组将他们的任务目标命名为 "穿墙发光"，旨在探测被称为“弱相互作用的细长粒子”（WISPs)或者更具体地说，轴子。激光会被墙壁阻挡，而轴子却可以穿墙而过。

图 1: ALPS 成员正在调试光学平台

Todd和他的团队通过使用四台 Moku:Lab 设备和一台 Moku:Pro 设备，为其实现研究目标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，集成12 种以上的测试测量仪器功能，从示波器和频谱分析仪等常见的工作台必备仪器，到锁相放大器和激光锁频/稳频等功能强大的专业光学仪器。

▍面临挑战

Todd的团队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极窄线宽的光学腔。 事实上，该腔体是世界上所有光学腔体中线宽最窄的，因此很难锁定（图2）。 与许多光学研究人员一样，该团队不得不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，这些信号在腔体的反射中以拍频的形式出现。 它们非常的微弱-等效功率相当于每天测量一个光子的水平。除此之外，光粒子转变为轴子的概率仅为 1:1014，这意味着该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（即激光在镜面之间循环的时间）的世界纪录

▍解决方案

Todd和他的团队已经意识到，Moku 不仅仅提供了直观的用户界面，它还是一个专业级的解决方案，能够提供一整套高性能仪器来加速尖端科学的发展。用 Moku 取代模拟电子器件，团队看到了灵活性的提高，以及在简化数据记录的同时快速迭代设计的能力，这让他们迅速消除了对采用软件定义仪器的任何犹豫。除了易于与他们的实验集成之外，Moku 还能直接与他们定制设计的科学级模拟仪器相媲美。他们利用Moku锁相放大器、数字滤波器、激光稳频器等仪器功能立即取得了成果（图 3）。

图 3：ALPS 团队成员在 DESY 的洁净室工作

通过切换到 Moku:Lab 和 Moku:Pro，研究人员就可以使用 Pound-Drever-Hall (PDH) 技术快速将激光频率锁定到腔体上，从而有效地替换了繁杂的实验设置，从而节省出时间以进一步优化系统。由于 Todd 的团队不仅要将激光频率锁定在光腔上，还要检测极其微弱的信号，因此他们再次寻求于Moku的锁相放大器。

Todd说："我不知道我们是否能想出更好的方法来获取这些数据，Moku 无非是最佳的选择"。

他们将两台 Moku 设备使用频谱分析仪监控装置的相位锁定，分析低至 µV 级的信号，确保系统保持在 "锁定 "状态，所有激光器相互跟随。在此基础上，另外两台 Moku 设备作为锁相放大器仪器，使用外差干涉测量读取那些电压在次 nV 范围的信号。

▍结果

托德和他的团队可以在两个光场（一个强光场和一个非常弱的光场）之间产生一个非常微弱的拍频信号。它们的干扰产生的微小拍频信号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）。这一解决方案以预期的发生频率对信号进行解调，使 Todd 能够在数小时内解析出从外差混频的弱场到单光子数量级的极低信号率。这些信号只有在完成数小时的数据记录后才会自行解调--这些数据都是通过内置在锁相放大器中的数据记录仪采集的，无需使用额外的昂贵仪器将信号信息记录到 SD 卡中，从而确保可靠的数据记录。

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

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，导致需要锁相环 (PLL) 时。他们可以快速地将 Moku:Pro即时实现作为 PLL，Moku可以适用实验需求变化而避免实验进展受到阻碍。

借助 Moku:Pro，团队还可以在多仪器模式下轻松使用激光锁频/稳频和频谱分析仪仪器，分析所需的拍频并同时保持锁定。Todd 说："在我们急需一个解决方案时，Moku:Pro的出现从将其带入洁净室到环路投入运行，只用了几个小时。

▍总结

为了推进他们的研究，Todd 和他的团队需要灵活、适用于多种应用的测试设备，并满足他们对时钟稳定性、模数转换器 (ADC) 噪声和数模转换器 (DAC) 噪声的指标要求。Moku 平台满足了这些要求，同时还提供了关键的仪器，为团队提供了监控信号、记录数据和克服物理学中一些重大测量挑战的新方法。

团队计划在实验中继续投入使用 Moku 设备。他们目前正在制定一项计划通过API应用程序接口来控制这些设备。到目前为止，他们已经集成了六台完全远程控制的 Moku 设备，可以进行测量和数据流。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）来控制六个 Moku 设备和五个不同的仪器。

图 5：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