Liquid Instruments Moku:Pro fa progredire la spettroscopia ultraveloce a trasformata di Fourier

Scopri come i ricercatori dell'Accademia Cinese delle Scienze stanno utilizzando il Moku:Pro Lock-in Amplifier e il Moku Cloud Compile per accelerare l'analisi delle particelle.

Introduzione
La spettroscopia ultraveloce a trasformata di Fourier (FTUS) è una potente tecnica che ha rivoluzionato il modo in cui gli scienziati catturano e analizzano lo spettro con velocità e precisione eccezionali. Utilizzando i principi della trasformata di Fourier, la FTUS scompone efficientemente segnali intricati nei loro componenti di frequenza mediante un approccio interferenziale con un segnale di riferimento. Questo metodo consente l'acquisizione completa di uno spettro, comprendendo contemporaneamente tutte le informazioni di frequenza rilevanti, senza scandire lunghezze d'onda o frequenze individuali.

In contrasto con la spettroscopia dispersiva tradizionale, che si basa su prismi o reticoli di diffrazione per misurare l'intensità luminosa in funzione della lunghezza d'onda, la FTUS non è soggetta alle limitazioni della scansione seriale, rendendola uno strumento indispensabile in vari ambiti scientifici e ingegneristici. La capacità di acquisire spettri completi rapidamente e con precisione distingue la FTUS e fornisce vantaggi come la raccolta dati accelerata, l'alta risoluzione spettrale e la capacità di rilevare segnali deboli con alta sensibilità. Il suo impatto si estende attraverso vari settori, dalla caratterizzazione dei materiali agli studi biologici, dove l'analisi spettrale precisa è cruciale per gli avanzamenti scientifici.

Un team dell'Accademia Cinese delle Scienze a Wuhan sta utilizzando il Moku:Pro, un dispositivo di test avanzato basato su FPGA che offre più di 13 strumenti software - che vanno dalle comuni necessità da banco a strumenti essenziali unici - per semplificare anche le loro configurazioni di laboratorio più sperimentali. Utilizzando il Lock-in Amplifier e il Moku Cloud Compile, il dottor ShaoGang Yu ha avanzato la ricerca del team impiegando strumentazione di precisione in varie configurazioni di stabilizzazione.

La sfida
Nonostante la sua efficacia, il perseguimento di una tecnologia FTUS altamente sensibile, ad alta risoluzione ed efficiente rimane un impegno continuo per i ricercatori. Il fulcro della tecnologia FTUS risiede nella lunghezza del braccio interferometrico, che è suscettibile a rumori ambientali, tra cui vibrazioni meccaniche e flusso d'aria. Anche le minime perturbazioni possono introdurre alterazioni nella lunghezza del percorso ottico e nella fase dell'interferenza, influenzando successivamente la sensibilità della misura del segnale e il rapporto segnale-rumore (SNR). Pertanto, raggiungere un meccanismo di bloccaggio stabile della lunghezza del braccio interferometrico è essenziale per far progredire la tecnologia FTUS.

L'approccio attuale si concentra sull'utilizzo di un laser di riferimento che si propaga coassialmente con il laser di eccitazione FTUS. Monitorando attentamente e bloccando il tremolio delle frange di interferenza del laser di riferimento, i ricercatori possono ottenere la stabilità desiderata della lunghezza del braccio interferometrico. Tuttavia, una sfida significativa deriva dal fatto che il laser di riferimento, sebbene strumentale per stabilizzare la lunghezza del braccio interferometrico, non può essere utilizzato per eccitare il campione. Come soluzione alternativa, negli esperimenti vengono tipicamente impiegati un laser di riferimento con una lunghezza d'onda significativamente diversa rispetto al laser di eccitazione. Tuttavia, questa soluzione alternativa introduce un notevole svantaggio: esiste una differenza sostanziale nel tremolio di fase sperimentato dal laser di riferimento rispetto al laser di eccitazione. Questa discrepanza limita gravemente il potenziamento degli indicatori di tecnologia FTUS e le sue applicazioni più ampie, spingendo i ricercatori a innovare e a raffinare la metodologia per ottenere risultati ottimali in esperimenti complessi e in applicazioni reali.

La soluzione
Per affrontare questa problematica, il Professor Yu, ricercatore presso l'Accademia dell'Innovazione per le Scienze e la Tecnologia della Misurazione di Precisione, insieme al suo team, ha sfruttato la Multi-instrument Mode di Moku:Pro in combinazione con un laser di riferimento ultrastabile. Utilizzando un Lock-in Amplifier, hanno demodulato le misurazioni in tempo reale della fase di interferenza e implementato algoritmi personalizzati con Moku Cloud Compile, una funzionalità disponibile per tutti i prodotti Moku che dà agli utenti accesso alla FPGA all'interno del dispositivo per abilitare funzionalità personalizzate. Con Moku Cloud Compile, gli utenti scrivono semplicemente il proprio codice desiderato utilizzando un browser web, lo compilano nel cloud e lo distribuiscono al dispositivo Moku o a più dispositivi nell'applicazione. Per una flessibilità totale, gli utenti possono scrivere codice in HDL, partire da uno dei nostri esempi, o lavorare con strumenti compatibili come Simulink o MATLAB e HDL Coder.

Questa flessibilità ha permesso al Professor Yu di trasformare la fase in tempo reale, consentendo una determinazione precisa della fase a qualsiasi lunghezza d'onda e facilitando l'acquisizione e la registrazione dei dati senza soluzione di continuità. Questa soluzione mitiga con successo la sfida del tremolio di fase indotto dalla notevole differenza nelle lunghezze d'onda dei laser, consentendo infine il progresso della tecnologia FTUS altamente sensibile, ad alta risoluzione ed efficiente.

Notevolmente, questo processo ottimizzato richiede solo un'unità Moku:Pro poiché sfrutta appieno la versatile funzionalità di Multi-instrument Mode del dispositivo per aspetti come la misurazione della fase, la trasformazione della fase e l'acquisizione completa dei dati. Lo sviluppo di questo metodo di misurazione rappresenta un traguardo significativo nel continuo miglioramento della tecnologia FTUS, ampliandone notevolmente le potenziali applicazioni. Il suo impatto si estende attraverso diversi campi scientifici, inclusi la fisica, la chimica, la biologia e l'astronomia, dove ha un valore immenso e prospettive promettenti per ulteriori progressi.

La Figura 1 e la Figura 2 mostrano le configurazioni per la Multi-instrument Mode e il Lock-in Amplifier. In questo sistema,il Lock-in Amplifier e Moku Cloud Compile lavorano insieme per eseguire la trasformazione della fase. Successivamente, un secondo Lock-in Amplifier nello Slot 3 demodula il segnale di ingresso utilizzando il segnale di fase trasformato. I dati demodulati risultanti sono quindi raccolti dal Data Logger nello Slot 4 per l'elaborazione. Questa ricerca ha portato a un nuovo algoritmo per far avanzare il campo della FTUS, che è stato implementato con Moku Cloud Compile.

Figura 1: Configurazione della Multi-instrument Mode di Moku:Pro, con quattro strumenti utilizzati simultaneamente.

Figura 2: Configurazione del Lock-in Amplifier per FTUS con un filtro passa basso da 500 Hz e un riferimento PLL esterno.

Il risultato
Dopo aver eseguito una trasformata di Fourier rapida (FFT) sui dati demodulati presentati nella Figura 3, il team ha ottenuto con successo uno spettro accurato con un elevato rapporto segnale-rumore (mostrato nella Figura 4). Questo spettro ad alta precisione rappresenta le caratteristiche fisiche della particella in analisi.

Figura 3: Risultati della demodulazione catturati utilizzando il Data Logger integrato nel Lock-in Amplifier.

Nella Figura 4, la linea blu corrisponde ai dati catturati utilizzando un laser con lunghezza d'onda di 700 nm, che dista 74 nm dalla lunghezza d'onda desiderata. Al contrario, la linea rossa rappresenta i dati ottenuti utilizzando un laser con lunghezza d'onda di 800 nm per la demodulazione. È importante notare che la linea rossa mostra un miglior rapporto segnale-rumore rispetto alla linea blu. Questo miglioramento può essere attribuito al fatto che la lunghezza d'onda del laser nella linea rossa è più vicina di 48 nm alla lunghezza d'onda desiderata, con conseguenti minori disturbi di fase nei risultati finali.

Sfruttando le capacità di trasformazione della fase abilitate da Moku:Pro, i ricercatori possono regolare finemente la lunghezza d'onda del segnale di demodulazione per allinearlo strettamente alla lunghezza d'onda desiderata. Di conseguenza, il rapporto segnale-rumore viene ulteriormente migliorato, offrendo significativi vantaggi nella rilevazione di segnali deboli e nell'operare in ambienti ad alta rumorosità. Questo sottolinea la capacità e il potenziale di Moku:Pro nel far avanzare il campo della FTUS.

Figura 4: Risultato dello spettro dopo la trasformata di Fourier rapida (FFT).

Riflettendo sui successi della ricerca del suo team, il Professor Yu ha elogiato le prestazioni e la flessibilità di Moku:Pro.

"Moku:Pro non offre solo potenti strumenti software come un Lock-in Amplifier, ma la Multi-instrument Mode e il Moku Cloud Compile ci offrono una flessibilità senza precedenti," ha detto. "La combinazione dei due ci ha aiutato a completare esperimenti che erano molto difficili in passato."