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随着对准确度和精度越来越高的要求，微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要，特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量，天文学中卫星信号的接收，以及地震学中地震波形和波速的测量。然而，检测微弱信号是相当具有挑战性的，因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中，我们将探讨如何运用Moku锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号，隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测，实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后（以10MHz作为调制频率）被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

Moku：Lab同时用于生成调制信号（输出2）和测量光电探测器上检测到的信号（输入1）。

图1示例实验的光学设置。

我们将使用锁相放大器来处理信号，并通过测量从物体反射的调幅信号的相位，进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能，一个检测强信号，另一个检测弱信号。

强信号测量

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号，我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下，我们使用镜子。

为了模拟运动物体，将镜子安装在机械平台上，使其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm。

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

为了获取强信号产生的强度（以及跟弱信号进行对比），我们可以首先在Moku：示波器上观察10 MHz调制信号。

图2 在Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

图2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察，因此可以直接简单地测量该信号的相位，并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

图3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

图3显示了Moku锁相放大器的设置。在这种情况下，调制信号取自内部本机振荡器。然后，本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

图4 Moku锁相放大器测量的相位信号

图4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样，相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化（用于驱动镜子的信号），由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

弱信号测量

在大多数情况下，物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是，光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射，导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中，信号的检测不那么明显，需要使用更先进的信号处理技术。

为了证明这一点，我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而，这一次，我们使用扩散纸。与镜子不同，从纸张反射的光在朝多方向散射，因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动，并作为模拟信号。

图5 Moku示波器测量的10 MHz弱信号

我们再次使用Moku：示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同，示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

但是，信号仍然存在，可以使用锁相放大器进行恢复。首先，我们调整输入端增益。在这种情况下，我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段，信号和噪声都增加，导致无SNR（信噪比）变化。

图6 为测量弱信号Moku锁相放大器设置

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内，从而我们可以进一步消除噪声。这个可以通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下，将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了Moku锁相放大器参数的设置。结果如图7所示。

图7 Moku锁相放大器测量的相位信号。

我们看到，该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声，并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化，从而消除更多噪声。总之，该实验表明通过调整Moku锁相放大器的一些关键参数，我们能够检测出扩散物体的位移。

 Moku:Lab 锁相放大器规格参数

概要

Moku:Lab数字锁相放大器支持双相解调(XY/RØ)频率范围DC-200MHz，动态储备高达100 dB。同时集成来双通道示波器和数据记录器，可以高达500 MSa/s采样率实时观测信号，并可以高达1MSa/s速率记录数据。

主要特点

·     优于80 dB动态储备

·     直观的数字信号处理示意框图

·     内置探测点用于信号监测和数据记录

·     支持内部和外部解调模式，包括PLL(锁相环)

·     双相解调

·     可切换矩形（X/Y）或极坐标（R/ θ）

·     内置PID控制器

典型参数

·     解调频率范围：1 mHz 到200 MHz

·     频率分辨率：3.55 μHz

·     相移精度：0.001°

·     输入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

·     输入阻抗：50 Ω / 1 MΩ

·     可调时间常数：40 ns 到0.6 s

·     滤波器滚降斜率：6 dB/12 dB 倍频程

·     输出增益范围：± 80 dB

·     本机振荡器输出频率高达200 MHz，可调振幅

·     超快数据采集：快照模式高达500 MS/s，连续采集高达1MS/s

除了锁相放大器，Moku:Lab还免费集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、激光锁频/稳频、PID控制器、波特分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器功能于一台设备。凭借功能强大的iPad APP、LabVIEW、Python、MATLAB等软件，您随时可以在iPad平板或PC电脑端随意的控制和使用这12个专业测量仪器。

随着对准确度和精度越来越高的要求，微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要，特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量，天文学中卫星信号的接收，以及地震学中地震波形和波速的测量。然而，检测微弱信号是相当具有挑战性的，因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中，我们将探讨如何运用Moku锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号，隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测，实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后（以10MHz作为调制频率）被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

Moku：Lab同时用于生成调制信号（输出2）和测量光电探测器上检测到的信号（输入1）。

图1示例实验的光学设置。

我们将使用锁相放大器来处理信号，并通过测量从物体反射的调幅信号的相位，进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能，一个检测强信号，另一个检测弱信号。

强信号测量

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号，我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下，我们使用镜子。

为了模拟运动物体，将镜子安装在机械平台上，使其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm。

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

为了获取强信号产生的强度（以及跟弱信号进行对比），我们可以首先在Moku：示波器上观察10 MHz调制信号。

图2 在Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

图2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察，因此可以直接简单地测量该信号的相位，并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

图3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

图3显示了Moku锁相放大器的设置。在这种情况下，调制信号取自内部本机振荡器。然后，本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

图4 Moku锁相放大器测量的相位信号

图4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样，相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化（用于驱动镜子的信号），由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

弱信号测量

在大多数情况下，物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是，光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射，导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中，信号的检测不那么明显，需要使用更先进的信号处理技术。

为了证明这一点，我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而，这一次，我们使用扩散纸。与镜子不同，从纸张反射的光在朝多方向散射，因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动，并作为模拟信号。

图5 Moku示波器测量的10 MHz弱信号

我们再次使用Moku：示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同，示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

但是，信号仍然存在，可以使用锁相放大器进行恢复。首先，我们调整输入端增益。在这种情况下，我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段，信号和噪声都增加，导致无SNR（信噪比）变化。

图6 为测量弱信号Moku锁相放大器设置

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内，从而我们可以进一步消除噪声。这个可以通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下，将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了Moku锁相放大器参数的设置。结果如图7所示。

图7 Moku锁相放大器测量的相位信号。

我们看到，该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声，并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化，从而消除更多噪声。总之，该实验表明通过调整Moku锁相放大器的一些关键参数，我们能够检测出扩散物体的位移。

 Moku:Lab 锁相放大器规格参数

概要

Moku:Lab数字锁相放大器支持双相解调(XY/RØ)频率范围DC-200MHz，动态储备高达100 dB。同时集成来双通道示波器和数据记录器，可以高达500 MSa/s采样率实时观测信号，并可以高达1MSa/s速率记录数据。

主要特点

·     优于80 dB动态储备

·     直观的数字信号处理示意框图

·     内置探测点用于信号监测和数据记录

·     支持内部和外部解调模式，包括PLL(锁相环)

·     双相解调

·     可切换矩形（X/Y）或极坐标（R/ θ）

·     内置PID控制器

典型参数

·     解调频率范围：1 mHz 到200 MHz

·     频率分辨率：3.55 μHz

·     相移精度：0.001°

·     输入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

·     输入阻抗：50 Ω / 1 MΩ

·     可调时间常数：40 ns 到0.6 s

·     滤波器滚降斜率：6 dB/12 dB 倍频程

·     输出增益范围：± 80 dB

·     本机振荡器输出频率高达200 MHz，可调振幅

·     超快数据采集：快照模式高达500 MS/s，连续采集高达1MS/s

除了锁相放大器，Moku:Lab还免费集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、激光锁频/稳频、PID控制器、波特分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器功能于一台设备。凭借功能强大的iPad APP、LabVIEW、Python、MATLAB等软件，您随时可以在iPad平板或PC电脑端随意的控制和使用这12个专业测量仪器。

Moku:Lab多功能测量仪之200MHz锁相放大器可用于探测被噪声掩埋的微弱电压信号。直观的用户界面允许用户使用整个框图中的探针点（probe points）精确配置系统并监控其性能。

主要特色
1、数字信号处理的方框图视图，内置探针点（probe points），用于信号的监测。
2、解调信号的频率高达200 MHz
3、测量被噪声淹没的信号，动态储备超过80 dB。

Moku:Lab多功能测量仪之200MHz锁相放大器视频展示

Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器的应用案例

Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器的规格参数

Signal channel

Input characteristics

Demodulator

Reference oscillator

Reference and Auxiliary oscillators

2+24 dB and +48 dB input gains are applied digitally and can be used to maximise the Lock-In Amplifier’s dynamic range for weak input signals.

Signal output

Output routing

Signal output

Saving Data

Saving data

3Only one output may have a PID controller routing at a time

Moku:Lab可用于使用外差检测和主动反馈来稳定两个激光器的相对频率和相位。

考虑以下光学系统，其中主激光器发出的激光与从激光器发出的激光发生干涉，产生频差信号，该频差信号通过光电探测器后转换为差频的电压信号。该频差信号可使用称为偏移锁相技术“锁定”两个激光器的相对相位，该技术可以使用Moku:Lab多功能测量仪上的锁定放大器。

偏置锁定以一定的偏置频率稳定两个或更多个激光器的相对相位。在原理上类似于锁相环的操作，其主要功能是检测两个振荡器之间的相位误差并更新其中一个振荡器的相位，使得它们的瞬时相位误差为零。

Moku:Lab锁相放大器的双相解调器产生的信号与输入信号的相位成比例，该输入信号的相位是相对于偏移频率的参考振荡。误差信号可以路由到专用的PID控制器，以产生控制信号，从而驱动从激光器的频率（或相位）。在大多数情况下，激光的频率可以通过压电换能器（PZT）或电流来控制，也可以使用其他类型的致动器包括电、热和声光调制器，但这里不考虑这些技术。

将Moku:Lab连接到光学系统

1、 将光电探测器的输出连接到Moku:Lab的In 1

2、 将Moku:Lab的Out 1连接到激光器的频率致动器PZT上。您可能希望在Moku:Lab测量仪和激光器之间添加一个低通滤波器，以YZ噪声或提供高于特定频率的额外积分。

配置Moku:Lab进行偏移相位锁定

1、 从Moku:Lab测量仪的iPad应用程序上启动锁相放大器

2、 按界面右上角的“高级设置”图标，选择内部解调，将辅助输出设置为本地振荡器，将PID控制器设置为主输出。

3、 界面现在看起来是这样的：

4、 按程序框图左侧的“In 1”图标，配置系统的输入设置（例如，DC耦合，50Ω输入阻抗和0 dB输入增益）

Tip：增益设置用于Z大化输入信号的动态范围。如果输入信号介于60 mVpp和1 Vpp之间，请选择0 dB增益。如果信号在5 mVpp和60 mVpp之间，请选择+24 dB增益。

5、 将内部参考的解调频率设置为所需的偏移频率。Moku:Lab测量仪支持高达200 MHz的偏移频率，但是这个值可能会受到光电探测器带宽的限制。

6、 将低通滤波器截止频率设置为大约100 kHz。该值将根据反馈环路的闭环带宽而变化。

7、 通过点击滤波器下方的蓝色6 dB文本，将滤波器斜率设置为12 dB/octave。

8、 将解调器设置为R/θ模式，然后点击蓝色“gate”将相位θ连接到输出output。

9、 Z后，根据系统的特定要求配置PID控制器。

您选择的特定增益轮廓线将在很大程度上依赖于多个因素，包括：

（1）     致动器的带宽（例如，对于PZT，可以高达100s of kHz）

（2）     致动器的响应速度（例如，对于PZT，可以是MHz/Volt的量级）

（3）     反馈环路中的外部滤波器（例如，Moku:Lab测量仪的DAC输出和致动器输入之间的低通滤波器）

（4）     通过系统的总传播延迟

通过测量系统中不同元件的传递函数可以简化调节控制器的增益，对于某些组件（例如滤波器），尽管可以从数据表中查看大多数信息例如以Hz/Volt为单位的致动器带宽和响应度，但是您可以使用Moku:Lab测量仪的伯德分析仪（Bode Analyzer）进行测量。

在光电探测器上产生拍频信号

为了抵消相位锁定的两个激光器，它们的频率必须首先足够接近，以便当在光电探测器上受到干涉时产生可见的拍频。这实际上可能难以实现，因为激光器通常对温度非常敏感，这意味着当在不同温度下操作时，两个相同的激光器的频率可以相差高达10s of GHz。幸运的是，大多数激光器都具有热致动器，可用于多个GHz的粗调频率控制。该特征可用于将两个激光器的频率调节到光电探测器的带宽内以产生可见的拍频信号。

检查两个激光器的频率是否在光电探测器范围内的一种方法是使用Moku:Lab测量仪的频谱分析仪，其允许您观察250 MHz范围内的拍频频率。

1、 首先，启动Moku:Lab测量仪上的Spectrum Analyzer仪器并检查光电探测器输出是否连接到Moku:Lab测量仪上的In 1

2、 配置系统的输入设置（例如，DC耦合、50Ω输入阻抗和0 dB输入增益）

3、 将频率跨度设置为250 MHz，将分辨率带宽设置为Min，将Window设置为Hanning。在此配置中，您将能够看到光电探测器带宽内出现的任何拍频信号（假设它小于250 MHz）。

Tip：如果光电探测器的带宽为50 MHz，则应将跨度设置为100 MHz，起始频率为0 Hz，因为它不太可能出现在100 MHz以上。

4、 慢慢调节其中一个激光器的温度。重要的是你不要太快的改变激光器温度，因为热调谐系数超过每°K的GHz，并且当你将激光器的频率转得太快，以至于当拍频信号在光电探测器的带宽范围内时，你无法观察到它。

5、 当两个激光器的频率在光电探测器的带宽范围内时，您应该会在频谱分析仪的显示屏上看到一个峰值移动。提高激光温度通常会降低激光频率，因此，如果您一直提高激光温度，那么当拍频信号可见时，应该会看到拍频频率降低。

当拍频频率达到0 Hz时，它会突然出现增加。这是因为频谱分析仪是单边的，意味着负拍频频率似乎是正的。

重要的是，拍频频率随温度的升高而降低（反之亦然），因为这表明频率差是正的。如果频率差是负的，则需要反转到PZT的反馈控制信号。

6、 当看到拍频信号时，等待激光器温度稳定（可能需要半个小时）才能尝试使用锁相放大器将激光器锁定在一起。

Note：如果没有专门的热控制，两个自由运转的激光器不可能在长时间内保持在彼此的范围内。虽然快速（PZT或电流）致动器会在短期内校正由温度漂移引起的任何频率误差，但它们固有地限制在一定范围内（通常Z好是几百MHz）并且无法校正因温度的随机波动而产生的较大的频率误差。

相干拉曼散射显微术(Coherent Raman Scattering Microscopy)是一类植根于拉曼散射的光学显微成像方法，主要包含相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-StokesRaman Scattering, CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)两种方法。CARS/SRS 显微术通过探测目标分子特定的振动来提供成像所需的衬度，通过非线性光学过程大大提高了检测的灵敏度，同时本征地具备三维成像能力。CARS 和 SRS 显微术可以对脂类等不易被标记的物质成像，还可以很好地通过选择振动光谱, 对生物体内特定小分子物质如药物等以及生物大分子如核酸、蛋白质等进行无需标记的成像，因此成为极有潜力的活体(in vivo)成像手段。

拉曼散射是发生在光和分子振动能级间的相互作用。在不满足电子能级共振条件的情况下，分子吸收光子的能量不能完成向电子激发态的跃迁，但是可以到达一个中间态，即虚态。处在虚态的分子会迅速向低能态跃迁，同时发射出一个光子，这就是散射过程，发射出的光子就是散射光。如果散射光子和原来的光子频率相同，称之为瑞利散射(Rayleigh Scattering)。如果分子从虚态向下跃迁时，到达比原来能量高的态，散射光的频率将降低，称之为斯托克斯散射(Stokes Scattering)；相反，如果终态的能量比初态低，那么散射光的频率将升高，称之为反斯托克斯散射(anti-Stokes Scattering)。斯托克斯与反斯托克斯散射统称为拉曼散射(Raman Scattering)。显然，拉曼散射是光的非弹性散射。拉曼散射的截面(cross section)很小，因此自发拉曼散射的信号强度通常很低。能量在分子振动能级和光子之间发生交换，其大小对应振动能级间距，散射光的频率移动(拉曼位移)也因此与分子振动的频率相同。斯托克斯线与反斯托克斯线在光谱上则相对于入射光的频率对称分布。

受激拉曼散射显微镜的工作原理

昊量光电邀您参加2022年01月19日锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍网络研讨会。

由Liquid Instruments研发的Moku系列多功能综合测量仪器在量子光学、超快光学、冷原子、材料科学和纳米技术等领域都有着广泛

的应用，尤其是他的锁相放大器、PID控制器和相位表、激光器稳频功能，单一设备满足实验室多种测量、控制应用需求。在本次网络

研讨会中，您将了解到锁相放大器的基本原理及应用，并提供对应的信号的检测方案介绍。

主办方

上海昊量光电设备有限公司，Liquid Instruments

会议主题

锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍

会议内容

1. 锁相放大器的基本原理

2. 锁相放大器在光学领域的重要应用方向-测量信号振幅（强度）以及相位

3. 如何设置锁相放大器的调制频率和时间常数

4. 应用介绍：超快光谱和锁相环/差频激光锁频

5. 如何通过锁相环来解决锁相放大器测相位时的局限性

6. 问题环节

主讲嘉宾

应用工程师：Fengyuan (Max) Deng, Ph.D.

简介：普渡大学化学博士学位，主要研究非线性光学显微成像方向。

应用工程师：Nandi Wuu, Ph.D.

简介：澳洲国立大学工程博士学位，主要研究钙钛矿太阳能电池。

【新品发布】Moku:Go 仪器套件新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器功能

锁相放大器用于生物样品双通道和多仪器模式SRS显微技术的研究

一．简介 

拉曼散射光谱为生物分子的特异性检测和分析提供了化学键的固有振动指纹。那么什么是受激拉曼散射显微镜？受激拉曼散射(SRS)显微技术是一种相对较新的显微技术，是一种相干拉曼散射过程，允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18]，由于相干受激发射过程[1]能产生约103-105倍的增强拉曼信号，可以实现高达视频速率(约25帧/s)[2]的高速成像。SRS显微镜继承了自发拉曼光谱的优点, 是一种能够快速开发、label-free的成像技术，同时具有高灵敏度和化学特异性[3-6], 在许多生物医学研究的分支显示出应用潜力,包括细胞生物学、脂质代谢、微生物学、肿瘤检测、蛋白质错误折叠和制药[7-11]。特别的是，SRS在对新鲜手术组织和术中诊断的快速组织病理学方面表现出色，与传统的H&E染色几乎完全一致[12,13]。此外，SRS能够根据每个物种的光谱信息，对多种组分的混合物进行定量化学分析[6,7,14]。

尽管在之前的研究[17]中已经研究了痛风中MSU的自发拉曼光谱，但微弱的信号强度阻碍了其用于快速组织学的应用。因此，复旦大学附属华山医院华英汇教授 和复旦大学物理学系季敏标教授团队将受激拉曼散射显微技术用于人体痛风组织病理成像[15]。研究人员应用SRS和二次谐波（SHG）显微镜同时表征了晶型和非晶型MSU。在普通光镜下，MSU晶体呈典型的针状。这些晶体在拉曼峰630 cm-1的SRS上很容易成像，当SRS频率稍微偏离振动共振时，表现出了高化学特异性的非共振行为，SRS信号消失。已知SHG对非中心对称结构敏感，包括MSU晶体和[17]组织中的胶原纤维。然而，由于拉曼极化率张量和二阶光学磁化率对晶体对称性[16]的依赖，研究者们发现线偏振光光束在晶体取向上倾向于产生SRS和SHG的强各向异性信号。因此，研究者们对泵浦光束和斯托克斯光束都应用了圆偏振，以消除MSU晶体和胶原纤维的定向效应。

Moku:Pro 的锁相放大器 (LIA) 为受激拉曼散射 (SRS) 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且稳健的解决方案。高质量的 LIA 是 SRS 显微镜实验中具有调制传输检测方案的关键硬件组件。在此更新的案例研究中，我们提供了有关双 LIA 应用程序的更多详细信息和描述。

由于SRS 是一种相干拉曼散射过程，允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18]。它使用两个同步脉冲激光器，即泵浦和斯托克斯（图 1）相干地激发分子的振动。当入射到样品上的两束激光的频率差与目标分子的振动频率相匹配时，就会发生 SRS 过程。振动激发的结果是泵浦光束将失去光子，而斯托克斯光束将获得光子。当检测到泵浦光束的损失时，这称为受激拉曼损失 (SRL) 检测。强度损失 ΔIₚ/Iₚ 通常约为 10 -7 -10 -4，远小于典型的激光强度波动。为了克服这一挑战，需要一种高频调制和相敏检测方案来从嘈杂的背景中提取 SRS 信号[19]。在 SRL 检测方案中，斯托克斯光束以固定频率调制，由此产生的调制传输到泵浦光束由 LIA 检测。

图 1：受激拉曼损耗检测方案。检测到由于 SRS 引起的 Stokes 到泵浦光束的调幅传输。演示的泵浦光束具有 80 MHz 的重复率，Stokes 光束具有相同的 80 MHz 重复率，但也以 20 MHz 进行调制。Δpump 是 LIA 在此检测方案中提取的内容

二．实验装置

使用的激光系统能够输出两个 80 MHz 的激光脉冲序列：斯托克斯光束在 1030 nm，泵浦光束在 790 nm。激光输出也用于同步调制：80 MHz 参考被发送到分频器以生成 20 MHz TTL 输出。这些 20 MHz 输出被使用两次：一次作为电光调制器调制斯托克斯光束的驱动频率，另一次作为外部锁相环的 LIA 输入通道 2（B 中）的参考。泵浦光束由硅光电二极管检测，然后被发送到 LIA 的输入通道 1（In A）。来自输出通道 1（Out A）的信号被发送到数据采集卡以进行图像采集。来自输出通道 2 (Out B) 的信号被最小化（通过调整相移）。

2.1 单通道锁相放大器配置

图 2：典型的锁定放大器配置设置

图 2 演示了用于 SRS 显微镜实验的 LIA 的初始设置。在初始设置时，必须重新获取锁相环。输入均配置为 AC：50 欧姆。通过调整相位度数优化相移 (Df)，直到 Out A zui大化（正值）并且 Out B zui小化（接近零）。探针A显示对应于 DMSO zui高信号峰 (2913 cm-1 ) 的 SRS 信号，并zui大化输出 A 的 103.3 mV。探针B表示正交输出，最小化为零。一旦 LIA 针对校准溶剂进行了优化，样品就可以进行成像了。

图 3：2930 cm -1拉曼跃迁处的 SRS HeLa 细胞图像

图 3 是使用 Moku:Pro 锁相放大器拍摄的 HeLa 细胞图像。显示的图像是从 SRS 图像生成的，拉曼位移为 2930cm-1，对应于蛋白质峰。低通滤波器设置为 40 kHz，对应于 约4µs 的时间常数。可以根据SRS信号大小增加或减少增益。

2.2 双通道成像

Moku:Pro 的 LIA 也适用于实时双色 SRS 成像。这是通过在 SRS 成像中应用正交调制并检测LIA的X和Y输出来执行的。在这种情况下，斯托克斯调制有两个部分：一个 20 MHz 脉冲序列生成SRS信号，另一个 20 MHz 脉冲序列具有90°相移，生成另一个针对不同拉曼波段的SRS信号[3]。由于90°相移，两个通道（Out A和Out B）彼此正交，可以同时获取两个SRS图像而不会受到干扰。

 4：使用正交调制和输出在两个不同的拉曼跃迁下同时获得鼠脑样本的双通道 SRS 图像

图 4 是利用双通道X&Y输出同时在2930 cm -1和 2850 cm -1处生成两个 SRS 图像的代表性图像。

2.3 多仪器模式应用

 在大多数 SRS 显微镜实验中，由于激光器总带宽的限制，光谱范围被限制在大约 300 cm -1左右。绕过这一技术障碍的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长。然而，波长调谐速度很慢，而且对于时间敏感的实验（如活细胞成像）来说往往不够。应对这一挑战的另一种解决方案是引入第三束激光束来扫描不同的拉曼过渡区域。这种能力对于两个光谱区域的同时成像特别有吸引力：一个在指纹区域（例如 约1600 cm-1用于酰胺振动）和一个在CH区域（例如 约2900 cm -1蛋白质）。在 SRL 成像方法中，实验装置由一个斯托克斯光束和两个不同波长的泵浦光束组成。此设置的常用检测方法需要单独的检测器和单独的 LIA。然而，Moku:Pro 的多仪器模式允许部署多个LIA，因此可以在不需要任何额外硬件妥协的情况下实施第二个LIA。

图 5：Moku:Pro 多仪器锁相放大器配置

图 5 演示了LIA 的多仪器模式设置，用于同步 SRS 显微镜实验。对于Slot 1，In 1是di一个光电二极管的检测信号，In 2是参考信号，Out 1是发送到数据采集卡的信号，Out 3被丢弃。对于 Slot 2，In 3 是第二个光电二极管的检测信号，In 2 再次作为参考，Out 2 是发送到数据采集卡的信号，Out 4 被丢弃。此配置仅使用 4 个 Moku 插槽中的 2 个。插槽 3 和 4 未分配，因此可用于进一步的 LIA 或任何其他 Moku 仪器。输入全部配置为 AC：50 欧姆。每个 LIA 插槽（1 和 2）都遵循与单通道 LIA 配置相同的设置。

在三个激光器的情况下，Moku:Pro 的多仪器模式可以配置两个锁定放大器，将系统简化为一个设备，而不会有任何妥协。这使得研究人员可以同时拍摄两张波数差较大的 SRS 图像，利用一个 Moku:Pro 来处理两个光电二极管检测器信号。

图 6：HeLa 细胞 SRS 图像使用多仪器设置在间隔较远的拉曼跃迁处拍摄

图 6 是利用一个Moku:Pro处理两个光电二极管检测器信号同时拍摄两个大波数差的 SRS 图像的代表性图像。

三．结论

 Moku:Pro 的 LIA 为大量 SRS 显微镜实验提供了出色的解决方案。在本文档中，讨论了典型的单通道 SRS 成像、双通道成像和多仪器成像。用户界面允许对提取低强度 SRS 信号进行直观和强大的控制。重要的是 Moku:Pro 的多仪器工具功能允许在多仪器同用的紧凑型系统上进行复杂的成像实验。

图 7：Moku:Pro 在多乐器模式下的使用图像。In 1 和 In 3 分别是插槽 1 和插槽 2 中 LIA 的信号输入。2 中是两个 LIA 插槽的参考。在所示的配置中，Out 1 和 Out 3 是记录的信号，Out 2 和 Out 4 是插槽 1 和 2 的转储信号

参考文献：

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Moku：Pro/Lab/Go的激光稳频一体化解决方案

Pound-Drever-Hall（PDH）技术是一种主动锁频技术，是目前激光稳频系统中性能手段之一，由 R.V. Pound，Ronald Drever 和 John L在19831年首次提出的。利用Fabry-Perot（F-P）腔稳频的激光系统是常见的一种稳频方法。当激光被射入一个F-P腔中时，它会被反射、透射或吸收，腔的长度越接近激光器的精确波长的一半，激光器的能量就会被传输的越远。不幸的是，激光的频率和腔长的连续变化取决于一系列的因素，如环境温度、注入电流和量子波动。PDH锁定利用从谐振腔反射出来的光来产生一个误差信号，来对谐振腔的长度或激光器的频率进行微调，从而完成腔长和激光频率的某种匹配，以达到最大限度地实现远距离传输。

根据框图简单说一下PDH技术，激光器输出频率为ω的激光，然后经过EOM晶体（electric-optical modulator）电光调制器，对激光光场进行射频电光相位调制，然后将调制后的激光信号经过偏振分束棱镜（PBS）与四分之一波片（λ/4）进入光学腔，然后通过反射到达光电探测器，偏振分束棱镜（PBS）与四分之一波片（λ/4）的作用就是让腔反射光进入探测器。然后对反射光信号进行相位解调，得到反射光中的频率失谐信息，产生误差信号，然后通过低通滤波器和PID（比例积分电路）处理后，反馈到激光器的压电陶瓷或者声光调制器等其他响应器件，进行频率补偿，最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。关于PDH技术的理论细节可以在一些综述论文和学位论文中找到。为了实现PDH锁定，需要一些专用的和定制的电子仪器，包括信号发生器，混频器和低通滤波器。Moku的激光锁盒集成了全部的PDH电子仪器，在提供高精度的激光稳频功能上实现了便捷易用。

图1：PDH稳频系统原理图

一． 实验装置

Moku的激光锁盒集成了波形发生器、混频器、低通滤波器和用于PDH锁定的双级联PID控制器。通过调节激光腔的长度，可以监测反射光的振幅，并在屏幕上实时显示PDH信号。用户只需轻轻一敲就可以将激光锁定在任何过零点。

图2： 主用户界面Moku:Lab激光锁盒

在一个示例设置中，Prometheus激光器（Innolight, 20NE）的出射光由电光调制器（EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1）调制，照射到由三镜环形腔（168 mm，即1.78 GHz的FSR），此腔体线宽为190 kHz。反射光被输入耦合器即时反射捕获。用两个光电二极管（PD, Thorlabs, PDA05CF2）来检测腔体的透射光和反射光。PD上检测到的信号被输入到Moku:Lab的输入1（混频器输入，交流耦合电阻50 Ω）和输入2（监视器，直流耦合电阻50 Ω）。利用Moku的激光锁盒波形发生器，在3.0 MHz的频率下产生了500 mVpp的本振（LO）信号。然后LO信号从Moku：Lab的输出2输出，通过偏置器 （miniccircuits, ZFBT-6G+）驱动EOM。用LO数字信号波形解调来自光学腔的反射响应信号，这里我们用到了数字混频器和角频300.0 kHz的四阶数字低通滤波器。通过扫描空腔共振的激光频率，调整相位延迟，直到误差信号峰-峰电压（斜率）最大，从而调整混频器处LO信号的相移。

快速PID控制器的积分器单位增益频率（0 dB点）为5.8 kHz，初始积分器饱和角为100 Hz。然后将快速PID的输出1直接连接到激光器的压电陶瓷上来驱动激光频率。在扫描模式下，该输出也会产生斜坡信号来发现空腔谐振。低频PID控制器的比例增益为-32.2 dB，积分器交叉频率为200 mHz。Moku：Lab的输出2出来后通过Bias-Tee分成了两路，一路到了EOM，一路到了激光的温度控制BNC接口端。在该激光温度致动器上放置了一个20dB的衰减（Minicircuits, HAT-20+），以降低其灵敏度。

图3：利用Moku：Lab建立的PDH技术的实验装置

二． Moku系列产品参数

Moku：Pro Hardware

Specifications

Analog I/O

Analog inputs

Analog outputs

三． 结果和讨论

通过监控传输的光电探测器功率，并通过ccd相机（也可以使用红外敏感观察卡）查看传输过程中的激光模式形状，来验证激光对腔和TEM00模式的锁定。这些监测信号的时域信息很容易在Moku:Lab的激光锁盒功能内置的示波器中实时查看。

利用内置的示波器测量特性来捕捉误差信号均方根RMS，对整个环路的增益进行了基本优化。增加增益使误差信号的均方根最小；太多的增益会引起振荡，太少的增益意味着激光频率扰动仍然没有得到充分的抑制。进一步的环路性能改进可以通过频域优化来实现，这可以通过在Moku:Lab输出1和激光压电之间注入扫频正弦扰动来实现，激光压电使用了求和前置放大器，并可以测量回路中注入扰动的抑制。这样的测量可以进行使用第二个Moku:Lab的功能：频率响应分析仪。在这些高度优化的配置中，环路的单位增益频率应该优化到30-60 kHz（高于这通常相对于激光的压电响应速度快很多）。

在一次测试中，使用单腔双激光测试验证了控制回路的性能。第二个激光器被锁定在腔内一个自由光谱范围（FSR）上，第一个激光器的锁与第二个具有相同的Moku:Lab激光锁频设置。在两个独立频率的锁定下，比较了两种激光器在相同的普通腔的噪声：独立的电子噪声和Moku数字化噪声。这两种锁定激光器之间的剩余频率变化与腔间隔噪声、腔涂层的热噪声和来自实验室环境的常见振动无关，这种噪声仅由控制回路和传感器产生，测量方法是将来自两个激光路径的光结合到一个高速光电探测器中，与一个稳定的GHz函数发生器混频，并使用第三个Moku:Lab仪器，一个相位表，来跟踪频率偏差。Moku:Lab相位表通过产生相对频率噪声的ASD来读出剩余频率噪声。我们得到了在每个环路10 Hz的情况下，控制回路的残余噪声是0.1 Hz/ Hz。腔激光锁模的真实绝对性能最终受到基频热涂层噪声的限制。

在以上的实验论述中，我们发现我们需要三台Moku：Lab来功能完成这个实验。如果我们使用Moku：Pro的多仪器并行功能，即可同时在一台仪器上运行多个功能，更加节省了实验室空间以及实验的便捷性。

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相关文献：

[1] Drever, R. W. P., Hall, J. L., Kowalski, F. V., Hough, J., Ford, G. M., Munley, A. J., & Ward, H. (1983). Laser phase

and frequency stabilization using an optical resonator. Applied Physics B, 31(2), 97-105.

[2] Nickerson, M. A review of Pound Drever Hall laser frequency locking. JILA, University of Colorado and Nist.

[3] Lally, E. M. (2006). A narrow-linewidth laser at 1550 nm using the Pound-Drever-Hall stabilization technique(DOCToral dissertation, Virginia Tech).

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【重磅发布】Moku 3.0版本升级！Moku:Lab新增支持云编译、多仪器并行

Liquid Instruments 推出Moku 3.0 版本重要升级。此次更新将shou次对Moku全线三款产品同时升级，尤其很多客户期待已久的Moku:Lab的固件升级。通过此次升级，Moku三款设备整合到同一个应用程序进行操控，不仅提高了用户体验和代码可移植性的一致性，并且确保更高的开发效率，加快未来功能增强的速度。Moku 3.0版本Moku:Go新增支持相位表功能，为所有Moku:Pro仪器提供了桌面支持，并对我们shou款发布设备Moku:Lab进行了许多重大升级，使得Moku产品线具有多仪器和定制功能。通过软件定义仪器改进多个现有仪器的功能，进一步拓展闭环控制系统、精密光谱学、显微镜等更广泛的应用案例，彰显了我们致力于为用户开发并不断改进的测试和测量解决方案的承诺。

Moku:Lab升级 

Moku版本3.0为Moku:Lab用户带来包括多仪器并行模式和Moku Cloud云编译等史wu前li的免费升级，以及为所有仪器提供了Windows、macOS和iPadOS支持，并升级了API支持。下面，我们为您整理了更多关于此次Moku:Lab的升级亮点。

多仪器并行模式和Moku云编译

Moku:Lab现在支持多仪器模式，同时使用两个仪器功能，并且可以通过Moku云编译快速编写和部署VHDL代码以实现自定义功能。这些功能对所有当前的Moku:Lab用户都可免费升级使用，只需简单的软件下载并不额外收取费用。

频率响应分析仪

频率响应分析仪提供了一系列增强功能，提升了其性能。比如zui大频率从120 MHz增加到200 MHz，扫描分辨率从512个点增加到8192个点，并且扫描过程可以在图形上显示进度。新的动态幅度功能可自动优化输出信号，以获得zui佳的测量动态范围。另外，添加了新的In/In1测量模式，还可以锁定频率轴，防止在长时间扫频过程中发生意外更改。我们还添加了输入饱和警告，除了以dBm为单位测量输入信号外，还可以以dBVpp和dBVrms为单位进行测量。数学通道现在支持复数方程，可以进行更多复杂的传递函数测量。

激光锁频/稳频器

激光锁频/稳频器更新了全新的框图操作界面，可以清晰地显示了扫描和调制信号路径。此外，我们还添加了新的锁定阶段功能，允许用户根据特定需求自定义锁定过程。低频相锁环（PLL）的锁定性能也得到了改进，相位值测量精度提升到六位数精度。zui低PLL频率降低到10 Hz，外部PLL信号现在可以进行zui高250倍的频率倍增或zui低分频至0.125倍用于解调。

锁相放大器

我们对锁相放大器低频PLL锁定性能也进行了改进，zui低PLL频率降低到10 Hz，并且可以将外部PLL信号现在可以进行zui高250倍的频率倍增或zui低分频至0.125倍用于解调。此外，相位值测量精度提升到六位数精度。

示波器

示波器现在还增加了深度存储模式，允许用户进行500 MSa/s的全采样率，每个通道保存高达4 MSa的数据。

相位表

现在，用户可以将相位表的频率偏移和幅度作为模拟电压信号输出，并且可以在输出信号中添加直流偏移。相位锁定正弦波输出现在可以进行zui高250倍的频率倍增或zui低0.125倍的频率除法，从而在解调中提供更大的灵活性。我们还改进了带宽范围从1 Hz到1 MHz。您还可以利用gao级相位包裹和解包功能，进一步提高测量精度和准确性。

频谱分析仪

频谱分析仪改进了本底噪声，为低电平信号提供更好的灵敏度。还包括了新的缩放选项，以对数Vrms和Vpp刻度进行更直观的信号分析。此外，还新增了五个新的窗口函数（Bartlett、Hamming、Nuttall、Gaussian、Kaiser），在进行信号处理和分析时提供更大的灵活性。

波形发生器

波形发生器现在增加噪声输出功能，可以向生成的信号中添加噪声。我们还添加了脉冲宽度调制（PWM）功能，并为相位值启用了六位数精度，从而实现更精确地创建波形。

API支持

API支持是很多Moku:Lab用户关注的另一个重要升级，升级后的API对所有仪器和编程环境带来了更好的支持，与其他Moku设备保持一致。请注意，Moku 3.0版本与1.9版本的API不兼容。您必须安装新的程序库，并更新所有代码以使用新的程序库。如果需要，您还可以降级到1.9版本（例如，如果无法将API脚本迁移到新的程序库中）。如果您在升级或降级软件版本遇到问题需要技术支持，请联系我们。

其他更新

用于在任意波形发生器中生成自定义波形以及在FIR滤波器构建器中生成自定义滤波器的方程编辑器，现在支持生成sinc和方波函数。数据记录期间创建的二进制LI文件现在可以自动转换为CSV、MATLAB或NumPy格式。

Moku:Pro 升级

现在 Moku:Pro 的 Windows 和 macOS 桌面应用程序中已经支持使用相位表功能。通过此更新，Moku:Pro的所有仪器现在都支持在PC上使用。您现在还可以将 PID 控制器添加到多仪器模式下的锁相放大器的输出通道中。我们还改进了多仪器模式下 PID 控制器和频率响应分析仪的仪器间数据分辨率。将频率响应分析仪的频率从300 MHz提高到500 MHz，以提供更高带宽应用的更高性能。

Moku:Go 升级

Moku:Go 新增支持相位表功能，此功能需要额外付费选购。用户仅需通过软件升级即可立即使用相位表功能。与 Moku:Pro 一样，我们还改进了多仪器模式下 PID 控制器和频率响应分析仪的仪器间数据分辨率。

免费升级您现有的仪器

对于您已经拥有的软件定义仪器，用户只需要通过简单的软件升级即可免费获取zui新的仪器功能。请通过 iPad 或 Windows 和 Mac 应用程序的下载zui新3.0版本软件连接Moku设备进行固件升级。

我们将致力于通过软件定义仪器，不断提升产品的性能，为用户提供优质的产品与体验，优化工作流程和加速研究的完善解决方案。

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概述

SR850 是一款基于创新 DSP（数字信号处理）架构的数字锁定放大器。相比，SR850 拥有许多显着的性能优势——更高的动态储备、更低的漂移、更低的失真和显着更高的相位分辨率。

保修一年零件和人工材料和工艺缺陷

以上内容由西安安泰测试分享，如在选型/测试过程中有任何问题咨询安泰测试，安泰测试国内测量仪器综合服务商http://www.agitek.com.cn/chanpin-s-162-2028.html

近几年，随着微加工技术的不断发展，微电子器件的特征尺寸在不断减小，半导体加工向着微型化、集成化和智能化的方向发展，系统的集成度不断增加，运算速度也不断提高，这直接导致了在有限的空间和时间尺度内形成高热流密度。因此，空间微尺度和时间微尺度下的传热规律在当今为电子器件加工领域是主要的一个研究领域。

目前，薄膜材料广泛应用于微电子、光电子、航空航天以及信息技术等领域，从传热学角度来看，热导率、比热、热扩散率等热物性参数对薄膜材料的应用至关重要。在对薄膜材料进行热物性表征时，需要对不同的薄膜材料采用合适的表征手段。当前，对薄膜材料热物性的表征方法有交流量热法、3ω方法、瞬态热发射法、光声法、微桥法、悬膜法、静态法、直流加热法、闪光法、双桥法、光热偏转法等[1]。本文主要介绍利用MFLI数字锁相放大器结合3ω方法测量薄膜的热物性。 

3ω方法测量的原理

3ω法是一种利用测量金属条电压的三次谐波分量来表征薄膜热物性的测试方式。测量示意图如下图1所示，采用MEMS加工工艺将一根几何尺度为微米级别的金属条加工制作在一块体薄膜材料的表面，就形成了测试体材料热导率的基本测试结构，金属条的两端各加工四个焊盘分别作为传感器输出接口和驱动电流的输入接口并通过金丝与外部的测试电路相连接。所加工的金属丝在实验中测试中的作用是既当做加热器（Heater）用又当做温度传感器（Sensor）用，同时需要与待测样品表面保持良好的接触。实验原理主要利用金属条温度随频率变化来确定材料的导热系数。

 
图1 3ω法测量示意图 

对薄膜材料上面的金属条通上角频率为ω的交流电流，金属条会以2ω的频率加热薄膜样品。因为金属条的电阻率随温度的升高而增大，因此，金属条的温度变化会引起金属条阻值的温度变化，该阻值与金属条的温度以2ω的频率变化，该2ω变化的阻值变化与频率为1ω的电流共同作用产生频率为3ω的电压。该3ω的电压信号只与金属条的温度变化有关，用MFLI数字锁相放大器可将该3ω信号提取出来，通过建立合适的传热模型，求解传热方程可以得到该金属条的温度变化。如果改变通电电流频率ω，那么金属条的温度变化振幅也会发生变化，以温度波动振幅为纵坐标，ω为横坐标，则所得到的曲线的斜率与样品的热导率相对应。1ω和3ω谐波信号的变化过程如下图图2所示。

图2 3ω法测量过程中一阶谐波和三阶谐波信号的变化过程 

通过交流电流源向金属条加热器提供驱动电流I，加热电流的频率为ω，即，那么金属条加热器由于焦耳效应会产生加热功率P，其表达式为：

 由上可以看到，金属条加热器在频率为ω的驱动电流的作用下，会产生频率为2ω的热量并加热样品，从而导致金属条加热器的温度升高。同时，由于金属条的电阻会随着温度的升高而变大，从而金属加热器的电阻值也会以2ω频率开始震荡，即：

在已知电流和电阻表达式的情形下，由欧姆定律可以得到金属条加热器上电压的表达式：

由上可见，在频率为ω 的驱动电流和频率为2ω的震荡电阻共同的作用下，产生了频率为3ω的电压，而且3ω电压组分包含了热学信息：

上式中是初始电阻值，dR/dT是电阻随温度的变化率，是基波电压值。

3ω法测试结构的剖面图如下图所示。

假设衬底相对于金属条加热器而言是半无限大的固体，同时将金属条加热器看作理想的线热源，Carslaw和Jaeger[2]给出了r距离的温度波动的精确解，其表达式为，式中r=sqrt(x^2+y^2)，为零阶贝塞尔函数，是热作用深度或扩散热波波长，D是热扩散率，P是加热功率，l是金属条加热器的长度，k是热导率。

当时，得到△T(r)的近似解[3]为：

在实际测试样品的制备过程中，制作无限窄的线热源是不现实的，Cahill等根据半无限大固体表面上存在理想线热源时的温度波动近似解，给出了半无限大固体表面上存在有限宽度的热源时的温度波动近似解[3,4]：

上式中，P/l表示金属条加热膜单位长度的加热功率，k是待测材料的热导率，C是比热容，b是加热膜半宽度，η是常数且对于体态硅一般取值为1.05。从该公式中可以看到，温度波动与衬底热导率及加热频率之间的相互关系，通过测量电压的三次谐波信号来确定△T，然后分别依据上式中的实部和虚部对衬底热导率进行测量。虽然依据虚部可以直接得到衬底的热导率，但是在实际的测量实验中，对实部的测量会更加方便和准确，所以，研究人员通常都选择依据实部对于频率的斜率来间接测量待测薄膜的热导率。对上式的两边做关于ln(2ω)的求导可以得到：

实验中，金属条加热器可以通过采用高精度掩膜版并结合溅射或热蒸发技术来制备，以便确保图形标准而且与样品表面有良好的热接触，从而在后续的数据分析中忽略掉接触热阻，同时也不需要考虑边界热阻及自身热阻的影响。其次由于测试样品的尺寸较小，故可以忽略热辐射的影响。

3ω方法测试的MFLI数字锁相放大器连接示意图

由于3ω实验中待测量的电信号通常在几微伏到几百毫伏，使用锁相放大器可以很容易的精确测量出1ω、2ω、3ω谐波电压值。上述左图中，MFLI数字锁相放大器产生正弦输出电压，通过转换电路后变成电流，施加在金属条加热器上面。该输出电压信号同时作为差分输入信号的参考信号，以便MFLI数字锁相放大器提取1ω、2ω、3ω谐波电压信号。由于MFLI数字锁相放大器只能作为一个电压源使用，而实验需要一个电流源，所以，连接图中的转换电路的作用是把电压源转换为电流源。上述右图中，直流电源为金属条加热器提供恒定的较大电流值，而MFLI数字锁相放大器提供较小的输出电压信号，施加在大电流信号之上作为微扰信号，然后通过锁相放大器来测量1ω、2ω、3ω谐波电压信号。参考精密电阻用来准确判断驱动电流值。

MFLI数字锁相放大器结合MF-MD多体解调器选件，可以同时实现4个谐波信号的测量。在LabOne软件的Lock-in tab下面的Harm中，同时设置1阶、2阶和3阶谐波信号（如下图所示），可以在Plotter中同时观查到这些谐波信号随时间的变化规律。

使用3ω方法测量薄膜材料的热物性，一般需要以下两个前提条件：

（1）薄膜的宽度必须远大于薄膜厚度的同时远小于其热穿透深度，以便待测薄膜在法向上满足一维导热的近似条件，同时待测薄膜的导热系数远小于衬底的导热系数。

（2）薄膜的衬度材料必须满足半无限长的假设，即厚度须远大于通过加热器电流频率所对应的热穿透深度。对于导电薄膜或液体，需要在加热器与薄膜或液体之间添加一层绝缘层。

3ω方法的应用

3ω方法是一种瞬态测量方法，随着锁相放大技术的发展而被不断的拓展和完善。目前，该方法被广泛的应用于体态材料、薄膜材料如氮化硅薄膜、各向异性材料如超薄石墨面、单层纳米薄膜、单根纳米线如单根碳纤维、纳米管材料如碳纳米管、多层薄膜材料、气体、液体等的热物性测量。

结论

基于FPGA芯片的全数字锁相放大器MFLI500k/5M的测量带宽可从DC-500kHz或5MHz，采用差分输入测量的方式可以准确的提取1ω、2ω、3ω谐波信号值。测量的谐波信号可以在Plotter中以曲线的形式实时显示出来。此外，参数扫描工具Sweeper可以在不同的测量频率区间比如70 Hz-100 kHz内以linear形式一次性的测量出各个频率值下的1ω、2ω、3ω谐波信号值。LabOne API应用程序接口如LabVIEW、MATLAB、Python、.NET、C允许您在已有的操作软件界面上集成。

参考文献

[1]邱琳，基于独立型传感器3ω法的微纳材料热输运研究，ZG科学院研究生院（工程热物理研究所），2012:3-7.

[2]Carslaw H S, Jaeger J C, Conduction of heat in solids, Landon: Oxford University Press, 1959

[3]David G. Cahill, Thermal conductivity measuremenωt from 30 to 750K: the 3ω method, Review of Scientific Instruments, 1990, 61 (2): 802-808.

[4]Joseph P F, Scalable routes to efficient thermoelectric materials, Berkeley: University of California, 2010

稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

PDH 锁定技术基本原理图示

主要特色

·       Local oscillator options本机振荡器选项

o   internal LO

o   PLL LO

o   external LO

·       Single Fast PID 独立高频PID

·       Single Slow PID独立低频PID

·       Scan generator 扫描发生器

o   triangular 三角波

o   sawtooth锯齿波

·       auxiliary sine gen辅助正弦信号发生器

·       configurable low pass filter (2 x SOS)可配置的低通滤波器

·       Monitoring options监测选项

o   Inputs输入

o   Outputs输出

o   error signal误差信号

o   demodulation解调

o   scan扫描

o   aux sine辅助正弦

·       conditional triggering条件触发

·       tap to lock点击即可锁定

·       scope scan lock - locks axis to scan for scanning ease范围内扫描锁定

主要特点

·       Block diagram view of the signal processing chain信号处理框图

·       Demodulate signals with internal or external local oscillator使用内部和外部本机振荡器解调信号

·       Scan resonances with sawtooth or triangle waveforms 扫描锯齿波或三角波共振

·       Observe signals at different locations in the signal processing chain using an integrated oscilloscope使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号

·       Quickly lock to any zero-crossing in the error signal using the ‘Tap-to-Lock’ feature  使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。

·       Low-pass filter demodulated signals with up to fourth order infinite-impulse response filters低通滤波器即高达四阶无限冲激响应滤波器解调信号

·       Individually configure high- and low-bandwidth PID controllers for fast and slow feedback可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈

·       Observe signals with respect to the scanning voltage using the ‘Scope-Scan Lock’ feature使用范围内扫描锁定功能观测与扫描电压有关的信号

Key Specifications典型参数

·       Demodulate with frequencies up to 200 MHz with 3.55 µHz resolution

    解调高达200 MHz频率，频率分辨率3.55 µHz

·       Generate modulation signals at up to 200 MHz

    生成高达200 MHz的解调信号

·       Scan resonances with sawtooth or triangle waveforms at up to 1 MHz

    扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振

·       Generate control signals at a sampling rates of 31.25 MSa/s

    以31.25 MSa/s采样率生成控制信号

·       Continuously acquire data at up to 1 MSa/s

    以高达1 MSa/s持续采集数据

·       AC / DC input coupling

    AC / DC输入耦合

·       50 Ω / 1 MΩ input impedance

    50 Ω / 1 MΩ输入阻抗

·       Adjust the low-pass filter cut-off frequency between to 2.081 kHz and 28.13 MHz

    可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

    更多详细介绍，请参见：https://www.liquidinstruments.com/

Moku:Lab多功能测量仪之相位表可用于测量1kHz到200MHz之间输入信号的相位，精度为1μcycle（1μ周期）。

主要特色
1、测量两个输入信号之间的相位差，测量精度高于1μcycle（1μ周期）
2、在测量相位、频率和幅值之间进行选择
3、以高达125 kSa/s的速率采集数据
4、跟踪频率和相位干扰，Z高可达10kHz

Moku:Lab多功能测量仪之相位表的应用案例

Moku:Lab多功能测量仪之相位表的规格参数

Inputs

Input characteristics

Measurement

Measurement characteristics

7Frequency and phase measurement precision is limited by sampling jitter at low Fourier frequencies.

Saving Data

Saving data

Synthesizer

Synthesizer8

8Where not stated, Phasemeter Synthesizer specifications match those of the Moku:Waveform Generator instrument.

2019年9月19-22日，在ZG郑州 郑州大学主校区举办ZG物理学会（CPS）2019秋季学术会议。

ZG物理学会秋季学术会议 （CPS Fall Meeting）以下简称秋季会议，是由ZG物理学会主办的年度学术会议，始于1999年，会议的目的是增进国内物理学界的学术交流，提高学术水平，促进物理学科的全面发展和人才培养。经过会议组织委员会和ZG物理学界的共同努力，秋季会议已由Z初200人规模逐步发展到目前的3000多人规模，已成为ZG物理学界规模Z大、综合性Z强的品牌学术盛会。

Liquid Instruments携带Moku:Lab多功能测量仪现场演示和介绍实验室信号测量功能，展位号为A19，欢迎各位老师和同学莅临沟通交流。

Liquid Instruments由澳大利亚国立大学物理系教授Daniel Shaddock创立，研发团队成员由澳国立、NASA- JPL、引力波探测科研工作人员组成，致力于简化实验室工作流程来创造更直观、灵活流畅的实验室体验。

Moku:Lab多功能测量仪基于Xilinx FPGA芯片开发，通过免费的APP软件可对硬件上集成的12种不同测量功能的仪器的设置进行随意配置。Moku:Lab多功能测量仪采用可重新配置的硬件设计并结合软件应用的方式，来代替传统的测试测量仪器。可视化iPad APP操作软件允许您通过点击的方式就可以在不同的测量仪器中随意切换，取代了传统的多个测量仪器以及复杂的测量过程，极大地提升了测量的灵活性和流畅性。

Moku:Lab多功能测量仪具备无线网络连接技术，允许用户可以随时随地，甚至可以在办公室或者家里通过无线网络利用手里的移动设备直接控制实验仪器、监控实验测量过程及导出数据。

凭借zhuo越的性能、顺畅灵活的测量及全面的技术支持互动服务，Moku:Lab多功能测量仪已经在20多个国家的高校和科研机构得到应用，并同时将先进的仪器技术传播到大学本科和研究生的实验教学中。下图是澳大利亚国立大学ANU工程学院实验室采用Moku:Lab多功能测量仪进行实验教学的一瞥。

更多Moku:Lab多功能测量仪的详细介绍和应用，我们期待与您的互动交流。