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卒論発表スライド
1.
115In+冷却・検出用コヒーレント光源 の制御系およびインターフェース の開発 大阪大学基礎工学部電子物理科学科エレクトロニクスコース 占部研究室 B4 飯田意己
2.
目次 • 研究背景 •
原理 • 実験方法 • 実験系 • マイコン • レーザーシステム(1段目) • レーザーシステム(2段目) • 実験結果 • 2段目のロック • 結論
3.
研究背景 • 目標 イオントラップによる光周 波数標準 •
用いるイオン 近年注目されているアルカ リ土類型電子配置のイオン メリット • 電気四重極子シフトを受け ない • 黒体輻射シフトが小さい 3P2 3P1 3P0 1P1 1S0 230nm 237nm 159nm Clock Cooling& Detection In+のエネルギー準位図 Cooling& Detection 量子状態の検出に使える1S0-1P1 遷移が真空紫外域に存在 →真空紫外光を用いない時計遷 移の検出方法 1S0-3P1遷移を用いたシェルビング 法 230nmの光源製作
4.
原理 光フィードバック PZTへの フィードバック エラー シグナル エラー シグナル PZTへの フィードバック 2段階の第2高調波発生 ↓ 2つの共振器に対して共鳴を保つようにロック(PID制御)を行う。
5.
実験方法 • マイコンには、共振器スキャン、PID制御、さらに動作モードと パラメータ調整のためのインターフェースを実装。 •
共振器の1段目、2段目に対しロックを行って、その持続時間を 計測。また、フリーランの状態と比較してロックがかかっている ことを確かめた。
6.
マイコン • ARM社
mbed NXP LPC 1768 • 32bit CPU, クロック 96MHz, AD変換(12bit), DA変換(10bit), USB/Ethernet通信によるコントロール
7.
マイコンについて レーザーの制御方法としては… アナログ回路、FPGA、マイコン、ソフトウェア(LabVIEW)… マイコンのメリット • 開発が容易 •
プログラミング初心者でも短い期間で開発できる。 • 新しい制御対象→迅速に対応 レーザー以外の例:DDS(Direct Digital Synthesizer)の制御、アッテネー ターの制御 • 低コスト • 省スペース • 処理能力も高い 〜10kHz DDS マイコン デジタル信号 で制御 アッテネーター
8.
レーザーシステム(1段目) Hansch-Couillaud法 によるエラーシグナル PPKTP 2nd
Cavity PZT−GLD PZT−φ grating ECDL PZT−C1 PD ←922nm 461nm→ 最終的にはPZT-φ、PZT-Gをロックするが、フィードバックが複雑なた め、今回はフィードバックが簡単なPZT-C1をロック
9.
レーザーシステム(2段目) Hansch-Couillaud法 によるエラーシグナル PD PZT−C2 BBO 同様に、2段目についてもロック 230nm
10.
Hansch-Couillaud法 LASER M2 M1 λ/4 偏光板 PBS PD PD M 偏光板の振動方向 入射光の振動方向 θ Error
signal Summing amp フリンジのピークにロックする 場合、フリンジに対して微分形 のエラーシグナルが必要になる。 このとき2点の差分をとらなけ ればならないが不安定。 この方法では2点の差分をとら ずにエラーシグナルが得られる ため安定してロックをかけるこ とができる。
11.
1段目のロック PZT-φをロックしていな いので位相がずれていき、 周期的にロックが落ちる。 位相をロックすれば、安定 してロックがかかると考え られる。 フリーランでは、光フィー ドバックがかかっているの で共振器がドリフトしても 共鳴を保とうといているが、 半値幅から外れるとロック が落ちる。 一方ロックの状態では、p- pと比較して3.82%以内に おさめることができた。 461nmのSHG時間推移
43分 6.8分 3.82%
12.
2段目のロック フリーランでは共振器の共鳴 中心を半値幅内に留めること はできない。 一方、ロックの状態では、 ピークに留めることができて いる。値の変動は、p-pに対 して9.9%以内に収まってい る。 また、今回半値幅を測定した ところ1.28MHzであった。フ リーラン時の結果から、この 2段目の共振器のドリフトは およそ 1.28MHz/3.3min=6.46kHz/s とわかる。 230nmのSHG時間推移 8.4分
3.3分 9.9%
13.
インターフェース ←モード選択 ←PIDパラメータ の変更 server accesscontrol
14.
結論 • まとめ •
本研究では、マイコンを用いて230nmコヒーレント光源の制御系の開発、 そしてそのインターフェースの開発を行った。 • 共振器のロックにおいては1段目、2段目ともにロックに成功した。 • インターフェースについても実際に動作することを確認できた。 • 今回マイコンを使った制御を行ったが、マイコンは短期間で簡単に開発 できるデバイスとして十分な可能性があると言えるだろう。 • 今後 • 1段目の位相ロックについては今後実装する予定。またロックが外れた 際の自動復帰機能についても検討したい。
15.
http://sugar3.is-mine.net/interface.htm
16.
37.2MHz 1.28MHz
17.
干渉計のロック PD PZT BS BS M M M PD PZT BSM M M マッハツェンダー干渉計@NICT
マイケルソン干渉計@阪大
18.
マイコンについて • ARM社
mbed NXP LPC 1768 • 開発環境はWeb上で提供されている。(mbed.org) 特別な開発環境を導入する必要がない。 • 高速プロトタイピングツール • 開発言語:C++ • 多くのライブラリが用意されているため開発が簡単。 • 活発なコミュニティがあり世界中の開発者に質問できるため問題解決の点でも充実。 非常にコンパクトな設計
19.
インターフェース mbedのピンアサイン Ethernetの物理層の ICが備わっている
Webからマイコンを制御できる インターフェースを開発 以下に示すように、mbedには多くの機能が搭載されているため、状況に応じて様々 なインターフェースを利用することができる。 Ethernetケーブルを接続し、 Ethernet用のライブラリを インポートするだけで簡単に Ethernet通信を行える
20.
インターフェース(2) ←モード選択 ←PIDパラメータ の変更 server accesscontrol index.htm どこからでも制御可!
21.
実験内容 • マイコンとソフトウェアの処理速度の比較 研究において広く使われているLabVIEWとマイコンで処理能力を比較を行い、マイ コンでレーザーのロックを行うことの有効性を確かめた。 •
干渉計のロック キャビティをロックする前段階として、キャビティに比べフリンジが緩やかなため ロックが簡単な干渉計をロックした。 • キャビティのロック 今回作成したレーザーのブロック図を以下に示す。 初段のレーザーシステムから順に以下で説明する。
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