Instrumentación y control con aplicaciones en óptica y metrología

Autor: Luda, Marcelo Alejandro
Přispěvatelé: Codnia, Jorge
Jazyk: Spanish; Castilian
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital (UBA-FCEN)
Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
instacron:UBA-FCEN
Popis: El estudio de la naturaleza requiere a menudo la realización de experimentos que involucran múltiples variables que deben ser operadas y/o medidas en simultáneo para producir un fenómeno particular y caracterizarlo. Se conoce como instrumentación al área multidisciplinaria del conocimiento que estudia y desarrolla instrumentos para medición de magnitudes y control de parámetros experimentales a tal efecto. En las últimas décadas ha cobrado especial relevancia el diseño de sistemas de instrumentación de operación centralizada y programable, que permiten ejecutar tareas de forma desatendida y adquirir datos de forma masiva sin la intervención permanente de un operario. Con el advenimiento de las tecnologías de sistemas embebidos se han incorporado a los laboratorios dispositivos electrónicos compactos que cumplen algunas de estas funciones, como la estabilización de variables o la adquisición y pre-procesamiento de datos. Una de las áreas en las que estas tareas tienen una relevancia central es la metrología, que estudia el proceso de medición y la definición de las magnitudes físicas. En particular, para la realización del metro y del segundo se pueden montar experimentos de óptica y física atómica en los que se estabiliza una variable a una referencia espectral para generar un patrón de medida. Para ello se implementa un esquema de control realimentado que corrige sus desviaciones respecto a la referencia utilizando actuadores que modifican su valor. En esta tesis se diseñó un sistema de instrumentación compacto basado en un dispositivo embebido de electrónica programable FPGA1 que integra las herramientas necesarias para realizar un esquema de estabilización completo para uso en laboratorios de física. La solución propuesta incluye las funciones de osciloscopio, amplificador lock-in, generador de barridos, filtros proporcional-integrador-derivadores y controlador de estabilización, con opciones de operación por interfaz gráfica o mediante un lenguaje de programación. Para su desarrollo se evaluaron los requerimientos instrumentales de un laboratorio moderno de física, en experiencias de espectroscopía láser, por un lado, y de trampas de iones individuales, por otro. Se identificó la necesidad de realizar mediciones sensibles a fase para implementar la estabilización a un pico de referencia espectral mediante la técnica de Pound-Drever-Hall (PDH) o de medición de la derivada de la respuesta del sistema físico respecto al parámetro de control. También se reconocieron las limitaciones de las soluciones basadas en microcontroladores para su implementación. Se evaluó el desempeño de la solución propuesta en una serie de experimentos de óptica y física atómica con aplicaciones metrológicas, basados en espectroscopía con láseres sintonizables. El primero consistió en estabilizar la longitud de onda del láser a una transición hiperfina de un isótopo del Rubidio en una experiencia de espectroscopía de absorción saturada. Como resultado se obtuvo un patrón trazable adecuado para su uso en la realización del metro mediante interferometría. En el segundo se implementó la técnica PDH para fijar la frecuencia óptica de emisión a un pico de transmisión de una cavidad Fabry-Pérot, lo que permite realizar un control estable de esta variable adecuado para experimentos de física atómica y cuántica en trampas de iones. Por último, se construyó un reloj atómico de Rubidio estabilizando la frecuencia de un oscilador de cristal sintonizable a la del desdoblamiento hiperfino del estado 5 2S1/2 del 87Rb. La comparación de frecuencias se realiza mediante una experiencia de espectroscopía de transmisión, sensando un pico de transparencia inducida que se produce por atrapamiento coherente de población (CPT) cuando dos haces de luz coherente sintonizan a la vez las transiciones entre los niveles hiperfinos y un nivel excitado común a ambos. Estos se generan a partir de las bandas laterales inducidas por modulación de corriente en un láser VCSEL. Para el funcionamiento del reloj se requieren dos lazos de control realimentado funcionando en simultáneo: uno para estabilizar la longitud de onda de emisión y otro para la frecuencia del oscilador. Cada uno de ellos fue implementado mediante el dispositivo desarrollado, que fue utilizado también para realizar las mediciones de caracterización del sistema físico. Consideramos que la solución de instrumentación y control desarrollada resultó adecuada para su uso en experimentos de óptica y metrología. Además, es suficientemente versátil para la aplicación en otras áreas de la física experimental e ingeniería. The study of nature often requires the performance of experiments involving multiple variables that must be operated and / or measured simultaneously to produce and characterize a particular phenomenon. Instrumentation is known as the multidisciplinary area of knowledge that studies and develops instruments for measuring magnitudes and controlling experimental parameters for this purpose. In recent decades, the design of centralized and programmable instrumentation systems has become particularly relevant, enabling to carry out unattended tasks and mass acquisition of data without the permanent intervention of an operator. With the advent of embedded system technologies, compact electronic devices have been incorporated into laboratories that perform some of these functions, such as the stabilization of variables or the acquisition and pre-processing of data. One of the areas in which these tasks are of central relevance is metrology, which studies the measure- ment process and the definition of physical magnitudes. In particular, atomic physics and optics experiments can be set up for the realization of the meter and the second, in which a variable is stabilized at a spectral reference to generate a measurement standard. A feedback control scheme is implemented for this purpose that corrects its deviations with respect to the reference using actuators that modify its value. In this thesis, a compact instrumentation system was designed based on an embedded FPGA program- mable electronics device that integrates the necessary tools to carry out a complete stabilization scheme for use in physics laboratories. The proposed solution includes the functions of an oscilloscope, a lock-in amplifier, a sweep generator, a proportional-integrator-differentiator filter and a stabilization controller, with options for operation through a graphical interface or through a programming language. The instrumental requirements of a modern physics laboratory were evaluated for its development, in laser spectroscopy experiences, on the one hand, and in individual ion traps, on the other. The need for phase-sensitive measurements was identified to implement stabilization to a spectral reference peak using the Pound-Drever-Hall (PDH) technique or by measuring the derivative of the response of the physical system with respect to the control parameter. The limitations of microcontroller-based solutions were also recognized for their implementation. The performance of the proposed solution was evaluated in a series of atomic physics and optics experiments based on tunable laser spectroscopy with metrological applications. The first one consisted in locking the laser wavelength at an hyperfine transition of a Rubidium isotope in a saturated absorption spectroscopy experiment. As a result, a traceable pattern suitable for use in meter realisation by interferometry was obtained. In the second one, the PDH technique was implemented to lock the optical frequency of emission to a transmission peak of a Fabry-Pérot cavity, which allows stable control of this variable, suitable for atomic and quantum physics experiments in ion traps. Finally, a Rubidium atomic clock was built by stabilizing the frequency of a tunable crystal oscillator at the hyperfine splitting of the 87Rb 5 2S1/2 state. The frequency comparison is carried out by means of a transmission spectroscopy experiment, sensing the induced transparency peak that is produced by coherent population trapping (CPT) when two coherent light beams simultaneously tune the transitions between the hyperfine levels and a common excited one. These are generated from the sidebands induced by current modulation in a VCSEL laser. Two feedback control loops working at the same time are required for clock operation: one to stabilize the emission wavelength and the other for the oscillator frequency. Each of them was implemented using the device developed, which was also used to perform the characterization measurements of the physical system. We consider that the developed solution for instrumentation and control turned out to be suitable for use in optics and metrology experiments. Furthermore, it is versatile enough for application in other areas of experimental physics and engineering. Fil: Luda, Marcelo Alejandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: