Liquid Instruments Moku:Lab: Misurazione rapida e precisa della distanza

Scopri come i ricercatori in Cina stanno utilizzando strumenti flessibili basati su FPGA per bloccare un laser a diodo a un pettine di frequenze ottiche. 

I pettini di frequenza ottici (OFC) sono diventati uno strumento essenziale per misurare con precisione la frequenza e la distanza, rendendoli utili per applicazioni come LiDAR, profilometria 3D di superfici di dispositivi micro/nano e rilevazione di onde gravitazionali. Una tipica misurazione con OFC coinvolge molte misurazioni del tempo di volo, che determinano la distanza da un oggetto o una superficie in base al tempo impiegato da un impulso di luce laser per riflettersi sull'oggetto e tornare al rilevatore, solitamente un interferometro ottico. Sebbene il principio della misurazione sia concettualmente semplice, eseguirla con precisione e rapidità può essere estremamente difficile, portando spesso a sacrificare uno dei due aspetti.

Recentemente, ricercatori dell'Istituto di Ottica e Meccanica di Precisione di Xi'an (XIOPM) e dell'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong (HUST) in Cina hanno sviluppato un nuovo metodo per la misurazione precisa delle distanze, utilizzando due pettini di frequenza ottici per ottenere un equilibrio ottimale tra precisione e velocità. Per supportare la loro ricerca, gli scienziati stanno utilizzando Moku:Lab, un dispositivo basato su FPGA che offre una suite riconfigurabile di strumenti per test e misurazioni. Sfruttando il Moku Laser Lock Box come soluzione integrata per il bloccaggio del laser, il team ha migliorato significativamente la qualità delle loro misurazioni. I risultati sono ora disponibili su Advanced Photonics Nexus.


La sfida
Diversi fattori limitano la precisione dei calcoli di distanza, tra cui la stabilità della frequenza laser e la risoluzione temporale dell'apparato di misurazione. Uno strumento in particolare che ha aiutato ad affrontare questi problemi è il pettine di frequenze ottiche, che genera impulsi di luce ultracorti (femtosecondi) a un tasso di ripetizione incredibilmente stabile. Come mostrato nella Figura 1, il tasso di ripetizione è un parametro critico del pettine di frequenze ottiche (OFC), che ne determina la risoluzione spettrale, ossia la spaziatura dei suoi "denti" nel dominio delle frequenze.

Due pettini di frequenze ottiche (OFC) vengono spesso utilizzati insieme attraverso una tecnica chiamata "dual-comb ranging". Utilizzando un OFC con un tasso di ripetizione leggermente diverso come oscillatore locale (LO), la risoluzione spettrale può essere ridotta a Δf, la differenza tra i tassi di ripetizione (Figura 1d). Sebbene la stabilità dei sistemi a doppio pettine di frequenze ottiche sia certamente utile per misurazioni di precisione, il tasso di ripetizione è basso, il che significa che gli impulsi vengono inviati con grandi intervalli di tempo tra di loro (Figura 1a). Ciò limita la velocità con cui il sistema LiDAR può calcolare informazioni sul bersaglio, comunemente chiamata tasso di aggiornamento.

Figura 1: Le caratteristiche interferometriche di diversi tipi di sorgenti a doppio pettine.
I pettini a fibra e i micro-pettini hanno entrambi vantaggi e svantaggi distinti.

Una possibile soluzione a questo problema risiede nell'uso di un risuonatore ad anello microscopico o pettine di frequenze Kerr, come un OFC. Il team di ricerca di XIOPM e HUST in Cina ha sviluppato un metodo a doppio pettine di frequenze (DFC) che combina i migliori aspetti di un OFC tradizionale e di un risuonatore ad anello microscopico (MRR), mantenendo un'elevata precisione e aumentando notevolmente il tasso di aggiornamento.


La soluzione
I risuonatori ad anello microscopici sono solitamente piccole strutture modellate su un substrato e generano un'uscita a pettine di frequenze quando vengono alimentati con un laser a pompa. Sebbene i tassi di ripetizione degli MRR possano essere estremamente elevati (Figura 1b), soffrono di fluttuazioni nel tasso di ripetizione e instabilità della frequenza ottica, limitando la precisione delle misurazioni a lungo termine.

La soluzione proposta dal team di ricerca di XIOPM e HUST consisteva nell'utilizzare un setup DFC con un pettine a fibra e un MRR, come mostrato in Figura 2. In questo setup, un fascio laser a diodo modulato (ECDL) viene utilizzato come sorgente di pompa per l'MRR. L'uscita dell'MRR viene poi fatta passare attraverso un amplificatore a fibra (EDFA) prima di sondare il campione in esame. Il pettine a fibra fornisce sia una sorgente LO stabile per la demodulazione, sia un segnale di riferimento critico per bloccare il laser a pompa. Il Moku:Lab Laser Lock Box (indicato come servo nella Figura 2) forma un circuito di retroazione chiuso, monitorando il segnale di errore tra la pompa e il pettine a fibra ultra-stabile e fornendo feedback al laser tramite il PID Controller integrato, che regola e "tira" la frequenza della pompa al valore corretto. In questo modo, i ricercatori possono controllare in modo preciso e rapido la differenza di frequenza tra le due sorgenti. La maggiore stabilità del laser a pompa, a sua volta, migliora la stabilità del segnale emesso dall'MRR.

Zhichuang Wang, uno studente di dottorato presso XIOPM e uno degli autori principali dell'articolo, afferma che il Laser Lock Box ha contribuito enormemente a migliorare la precisione del loro setup DFC:

"Abbiamo provato altri servomeccanismi e le prestazioni non erano sufficienti. Utilizzo Moku da circa un anno e mezzo. Apprezzo la natura integrata del Laser Lock Box; non richiede mixer esterni e include un PID controller."

Figura 2: Schema degli esperimenti di misurazione DFC presso XIOPM.
Qui, Moku:Lab è rappresentato come il servo.

Il risultato
Utilizzando un sistema DFC ibrido, il team di ricerca di XIOPM e HUST è riuscito a sfruttare l'alto tasso di ripetizione dell'MRR insieme alla stabilità del pettine a fibra. Per valutare le prestazioni del loro sistema, hanno eseguito l'imaging di un disco rotante ad alta velocità con scanalature di profondità variabile. I risultati, insieme a quelli di una macchina di misura a coordinate commerciale (CMM), sono visibili in Figura 3f.

Figura 3: Risultati delle misurazioni dal Riferimento 1. I risultati principali includono (e), le misurazioni della deviazione di
Allan del setup DFC e (f), i risultati dell'esperimento di misurazione della distanza sul disco scanalato.

Con l'aumentata stabilità del laser a pompa bloccato, il team ha determinato che la precisione del loro setup DFC poteva raggiungere 3,572 μm con un tempo di media di 4,136 μs e 432 nm con un tempo di media di 827,2 μs. A causa della grande differenza tra i tassi di ripetizione dell'MRR e del pettine a fibra, la velocità di misurazione del sistema è stata aumentata di quasi 200 volte rispetto a un sistema a doppio pettine di fibra.

Il setup DFC del team rappresenta una soluzione di misurazione ultra-stabile che mantiene sia un'elevata precisione che rapidi tassi di aggiornamento, offrendo anche un controllo dinamico. Un sensore LiDAR submicronico potrebbe avere applicazioni nella produzione e nella lavorazione meccanica, dove precisione e agilità sono essenziali.

Sebbene questo particolare esperimento sia stato completato, Wang prevede di utilizzare altri strumenti disponibili per Moku:Lab nelle sue future ricerche.

"Abbiamo in programma di usare il Moku Phasemeter per la caratterizzazione del rumore di fase, così come il Time & Frequency Analyzer come contatore di frequenza per le misurazioni della deviazione di Allan," ha detto.