本应用说明介绍了 Moku:Lab 如何使用任意波形发生器仪器和从 .CSV 文件导入的数据生成波形模式。波形用于在 X 和 Y 平面上控制激光束，以创建类似于 GRACE 后续任务所用的扫描模式。
使用 Moku:Lab 任意波形发生器进行双通道同步模式生成
本应用说明介绍了 Moku:Lab 如何使用任意波形发生器仪器和从 .CSV 文件导入的数据生成波形模式。波形用于在 X 和 Y 平面上控制激光束，以创建类似于 GRACE 后续任务所用的扫描模式。
任意波形生成
Moku:Lab 任意波形发生器 (AWG) 可以以 125 MSa/s 的采样率生成多达 65,536 个点的自定义波形。波形可以从文件加载，也可以作为32 个段的分段数学函数输入，使您能够生成真正的任意波形。在脉冲模式下，波形可以输出脉冲之间超过 250,000 个周期的死区时间，使您可以在较长时间内以固定间隔用任意波形激励系统。
扫描模式
许多应用都需要二维激光扫描模式，例如显微镜、长距离自由空间干涉测量和激光雷达。2018 年，GRACE Follow-On 任务使用两束激光束在两艘相距 200 公里、绕地球运行的航天器上设置了第1台航天器间激光干涉仪。GRACE Follow-On 干涉仪能够测量航天器分离的亚微米变化。在建立链路之前，激光器必须通过扫描五维空间来找到彼此；每束激光的倾斜度和频率差 [1]。LISA 引力波探测器可能需要类似的采集扫描，相干自由空间激光通信和光量子密钥分发链路也可能需要类似的采集扫描，例如从地面到太空。
本应用说明将介绍如何使用 Moku:Lab 任意波形发生器生成复杂的 2D 扫描模式。首先，我们将展示如何将 AWG 波形加载到 Moku:Lab 中，以便在 XY 模式下在示波器上进行可视化。接下来，我们添加快速转向镜和激光系统，以生成适合采集系统的任意扫描模式。
Moku:Lab任意波形发生器仪器
Moku:Lab 任意波形发生器可以从预设波形、输入方程或从文件导入的点生成双通道自定义模式。支持 1 mHz 至 125 MHz 的输出频率。脉冲输出可配置为脉冲之间多达 250,000 个周期的死区时间。
预设波形包括正弦波、高斯波、指数上升波、指数下降波、正弦波和心动图。方程模式支持来自复杂分段函数的多至 32 个段。
对于此应用，我们使用任意波形发生器的自定义模式，并从存储在 SD 卡上的 .CSV 文件中加载波形点。存储的波形的MAX长度取决于所需的输出速率。在 125 MSa/s 下，波形多达 65,536 个点，在 1 GS/s 下可以有 8192 个点。
生成 2D 扫描模式
我们在本应用中测试的扫描模式是恒定密度螺旋扫描。在二维空间内进行扫描时，重要的是确保以相同的扫描密度询问每个点，并且在每个点停留相同的时间。
通过线性增加振幅作为时间函数而创建的螺旋扫描将导致扫描点之间的距离随着振幅的增加而增加。这是因为给定半径的圆周上的采样点数量是恒定的。相反，我们需要的是频率随着振幅的增加而降低的扫描，这样无论振幅如何，密度和停留时间都是恒定的（见图 1）。
我们在 MATLAB 中创建了一个恒定密度扫描模式，并将 X 和 Y 坐标以 .CSV 格式保存到 SD 卡中。然后，我们使用 Moku:Lab 任意波形发生器导入文件，并在输出通道 1 和通道 2 上生成这些 X 和 Y 位置命令（图 2）。请注意，使用 SD 卡并不是导入所需波形的唯yi方法 - 也可以通过 Dropbox、电子邮件或 iPad 的“我的文件”上传文件 [2]。
为了确认任意波形发生器正确地生成了 10 Hz 和 2 V 的模式，我们使用了第二个 Moku:Lab 以 XY 模式运行示波器（图 3）。
激光螺旋扫描演示
采集扫描模式是建立长距离自由空间激光链路不可或缺的一部分。为了展示我们的螺旋扫描模式作为潜在链路采集平台的作用，我们建立了一个简单的光束控制系统，其中 Moku:Lab 使用任意波形发生器来控制光束。
对于光束控制，我们使用了 Newport FSM-300 快速转向镜。它可以提供模拟 ±10 V 信号，分别控制镜子在 X 和 Y 平面上的倾斜和倾斜。由于 Moku:Lab 的输出范围为 ±1 V，我们在每个通道上使用两个放大器来增加驱动信号的幅度（图 4）。我们这样做是为了能够在MAX转向范围内驱动转向镜，从而MAX化我们的扫描区域。
我们在实验室的光学台上安装了这些组件（图 5），并将投影仪屏幕放置在距离转向镜约 5 米的位置。
快速转向镜的模拟带宽高达约 2 kHz。请注意，我们生成的螺旋扫描图案并非在同一点开始和结束 - 有一条明显的直线将螺旋内部与外部连接起来。这种方向的急剧变化导致频率谐波明显高于螺旋扫描频率。当我们以 3 Hz 或更高的频率运行扫描时，直线开始弯曲，因为急转弯所需的高次谐波超出了转向镜的带宽。
我们用数码单反相机拍摄了一张 1 Hz 的长曝光照片，捕捉到了扫描图案的照片（图 6）。
结论
采集扫描模式是建立长距离自由空间激光链路（如 GRACE Follow-On 中的链路）的一个重要方面。需要对整个询问区域进行恒定密度扫描，这通常会导致使用任意波形模式。我们在 MATLAB 中创建了一个恒定密度螺旋扫描模式，然后通过 SD 卡将其导入 Moku:Lab 任意波形发生器。然后我们用它来驱动一个快速转向镜，该镜使用螺旋扫描模式将可见的红色激光转向投影仪屏幕。这证明了 Moku:Lab 设备能够产生任意复杂波形，可用于自由空间激光链路的采集扫描模式。
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