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【应用案例】Moku:Pro简化双色受激拉曼散射显微镜实验

应用案例

Moku:Pro简化双色受激拉曼散射显微镜实验

介绍

在华盛顿大学, 研究人员致力于双色受激拉曼散射(SRS)显微镜技术研究开发化学成像工具，用于早期癌症检测和了解神经退行性疾病进展。实验装置通常包括多个复杂的高性能仪器, 用于实时双色 SRS 成像或两个相距较远的拉曼跃迁的同步成像。现在，他们正在使用Moku:Pro锁相放大器和多仪器并行模式，仅通过Moku:Pro一台紧凑的多通道设备进行多种实验并捕捉低强度的SRS信号。

面临挑战

SRS是一种相干拉曼散射过程，可提供具有光谱和空间信息的化学成像。在典型的设置中,它使用两个同步脉冲激光器, 即泵浦和斯托克斯(图1), 以相干地激发分子的振动。为了从嘈杂的背景中捕捉到非常小的SRS信号, 高频调制和相敏检测方法是必要的。

图1: 检测到由于SRS导致的Stokes到泵浦光束的振幅调制转移。所展示的泵浦光束的重复率为80MHz，Stokes光束具有相同的80MHz重复率，但也在20MHz处调制。通过这个检测方案，Δpump被提取出来。

为了进行实时双色SRS成像实验, 研究人员必须运用正交调制并检测同相和正交信号分量。“在大多数SRS光谱实验中, 由于激光器总带宽的限制, 光谱范围被限制在300 cm-1左右,” 华盛顿大学化学助理教授Dan Fu博士说到。“避免这种情况的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长, 但这很慢, 而且对于活细胞成像等对时间敏感的实验来说往往是不够的。”

为了克服这些限制, 华盛顿大学的科研人员使用第三束激光束来同时对两个间隔很宽的光谱区域进行成像, 例如一个在指纹区域大小(比如. ～1600 cm-1应对酰胺振动)和一个在C-H区域大小(比如. ～2900 cm-1应对蛋白质), 但这会增加实验设置的占用空间和复杂性。

图2：用Moku:Pro多仪器并行模式设置在间隔较远的拉曼转换处拍摄的HeLa细胞SRS图像。

解决方案

在采用调制传输检测方案的 SRS 显微镜实验中，高质量的锁相放大器是关键的硬件组件。Moku:Pro 的锁相放大器为 SRS 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且可靠的解决方案，直观的用户界面为提取低强度 SRS 信号提供强大的操控性和灵活性。

图3: Moku:Pro 锁相放大器的通道配置

Moku:Pro的锁相放大器可以配置相位偏置,低通滤波器和设定增益用于优化实验。内置的探测点功能可以在调整设置时用于实时监测。X和Y输出均可用于双通道成像。

对于三路激光器的情况下, Moku:Pro 多仪器并行模式可以配置两个锁相放大器, 将系统简化为一个设备而不需要任何妥协。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4: Moku:Pro 多仪器并行模式配置多通道锁相放大器

图 4 演示了多仪器并行模式配置使用两个锁相放大器用于同步 SRS 显微镜实验。对于插槽 1 中的锁相放大器, 输入 In 1 是第1个光电二极管的检测信号, In 2 是参考信号, 输出Out 1是发送到外部数据采集卡的信号, Out 3被弃置。对于插槽2中的锁相放大器, In 3是第二个光电二极管的检测信号, In 2再次作为参考信号, Out 2是发送到外部数据采集卡的信号, Out 4被弃置。每个检测到的信号(Out 1 和 Out 2)在被发送到数据采集卡之前通过调整它们各自的相位偏置来zui大化。本例中的插槽 3 和 4 配置了示波器, 但还可以配置为Moku:Pro中的任意仪器功能。

图5：Moku:Pro在多仪器模式下，配置了两个锁相放大器，有三个输入通道和两个输出通道在使用。

结果

Moku:Pro的锁相放大器为众多SRS显微镜实验提供了出色的解决方案。“用户界面可以对提取低强度SRS信号进行直观且强大的控制,仅需要使用Moku:Pro的多仪器并行模式就能在紧凑的系统上进行复杂的成像实验,” Fu博士说道。从典型的单通道SRS成像到双通道成像, 甚至是多仪器成像, 华盛顿大学的科研人员可以简化他们的实验设置而不用作出妥协。

问题和反馈

想了解更多关于Moku:Pro的信息, 欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系~

如果您对Moku相关产品有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页：

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关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

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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.

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。

上海昊量光电作为Liquid Instruments公司在中国大陆地区主要的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。对于Moku：Pro/Lab/Go的激光稳频一体化解决方案有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。

如果您对Moku：Pro/Lab/Go的激光稳频一体化解决方案有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页查看更多Moku系列产品：

https://www.auniontech.com/details-1528.html

https://www.auniontech.com/details-1453.html

https://www.auniontech.com/details-1470.html

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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创新发布｜Moku:Pro云编译实现用户自定义仪器测量功能！

Liquid instruments推出创新功能云编译, 用户可通过此功能对Moku:Pro的FPGA进行编程，编写自己的VHDL代码在Moku:Pro 平台

上实现自定义数字信号处理。与基于CPU和特定应用集成电路（ASIC）相比，FPGA提供了接近ASIC水平的延迟和性能，并具备可编程性。通常FPGA编程需要大量的专业知识和技术，耗费成本和精力。但是通过Moku:Pro预先配置好的输入、输出及控制寄存器，用户无需耗费精力为ADC编写驱动程序、配置接口和维护额外硬件。

Liquid instruments提供基于云端的编译器可直接从浏览器访问，允许用户快速灵活地开发、编译和部署自定义算法到Moku:Pro，无需下载任何软件。云编译目前支持VHDL代码（即将支持Verilog）。由于HDL编译入门相对较难，用户也可以通过MATLAB或Simulink 用HDL Coder生成云编译兼容的VHDL代码，从而降低应用设计的门槛。

Moku:Pro云编译是为需要更多额外功能和定制需求的专业用户开发的，用户可以自己设计出du一无二的测试测量设备。云编译可以结合Moku:Pro“多仪器模式”模式使用，将定制代码与Moku:Pro的任何专业级仪器一起工作实现高速无损信号传输，极大地增强了Moku:Pro的灵活性，满足了对具有研究级硬件的高性能实验室仪器的需求。将来，用户还可以将自己编写的代码上传到云端，分享给同事在Moku:Pro上运行。

更多内容

Moku:Pro 产品介绍

如想进一步了解Moku:Pro云编译或相关产品详情，

请联系我们客户支持团队：

昊 量 官 方 微 信 客 服

荧光激发块是荧光显微镜中用来激发荧光标本和观察荧光的核心部件，它实际是滤光片的组合，一般含有3种滤光片组件包括激发滤光片、二色镜（或分光镜）和发射（或屏障）) 滤光片。
如何正确选择荧光显微镜滤色片，荧光显微镜的使用根据滤光片元件的特性、每个滤光片元件的必要性能以及染料要求来选。每个组件执行不同的特定功能，但都通过精确利用干扰效应得到增强，一般来说，为特定调查选择最佳过滤器集需要彻底考虑过滤器和荧光染料、显微镜照明源和用于捕获信号的检测器之间的光谱相互作用。
1. 激发滤色片（Exciter Filter）：选择透过某个波段的光，来激发荧光染料。
2. 分色镜 （Dichroic Mirror）：反射激发光，透过荧光，一般激发光波长短，而发射光波长较长。
3. 发射滤色片(Barrier Filter) ：透过发射光，也就是我们看到的“荧光”。同时阻挡各种杂散光和激发光的反射光。

以广州明慧的倒置荧光显微镜MHIF2000的荧光滤色镜为例，安装φ34mm滤光片（可拆卸），标配蓝、绿、黄色滤色片，单个附件最多可搭配四组滤色片，满足不同领域的荧光检测。紫外（UV）: EX350/50nm;DM:400nm;EM:420nmLP，蓝色（B）: EX470/40nm;DM:505nm;EM:515nmLP；绿色（G）: EX530/40nm;DM:565nm;EM:575nmLP。

荧光显微镜双色滤光片即蓝绿双色荧光激发、蓝 紫外双色荧光激发，目前市面上的荧光显微镜荧光模块被广泛应用于荧光显微镜的使用，根据实验需求增加荧光模块来实现荧光观察功能，通过拉杆或者转盘即可轻松实现明场和荧光观察方式之间的切换，同时还可以通过接口适配器连接相机实现显微成像的目的，荧光显微镜双色滤光片通过显微镜类型选择双色LED正置/倒置/体视荧光模块。

Moku:Pro多仪器并行模式-轻松构建和配置您的测试

Moku:Pro最新发布多仪器并行模式，支持并行多通道可重构仪器。第一次，用户可以实现在芯片上运行多个研究级仪器互联。通过Moku:Pro 多仪器并行模式用户可将仪器放置在四个虚拟“插槽”中，动态添加或删除 Moku:Pro 仪器到任何插槽。每个插槽都能够连接至模拟输入和输出，让您可以在单个 Moku:Pro 上运行整套仪器。在此模式下运行的仪器可通过低延迟、实时 30 Gb/s 信号路径相互连接以构建复杂的信号处理流程。模拟输入、模拟输出和相邻仪器的连接能够实现运行时配置。结合 Moku 云编译（即将发布）和多仪器并行模式，Moku:Pro 重新定义了测试和测量仪器的灵活性。

可配置仪器（持续更新）:

任意波形发生器

频率响应分析仪

锁相放大器

示波器

PID 控制器

频谱分析仪

波形发生器

硬件亮点：

卓越的低频噪声性能:全输入带宽下的噪声500 μV RMS

板载高稳定时钟 0.3 ppm

输入到输出延迟 < 650 ns

典型应用：

自动化测试序列

系统原型设计和仿真

闭环控制设计

光学计量学和光谱学

光学、成像和其他定制系统控制中心 

量子计算

技术规格

四个模拟输入通道：

10位和18位ADC，具备随频率变化的信号混合功能

1.25 GSa/s 采样率

输入噪声: 30 nV/√Hz @ 100 Hz

可选 300 MHz 或 600 MHz 模拟带宽

AC 或 DC耦合，输入阻抗：50Ω 或 1MΩ 

输入范围：400 mVpp、4 Vpp 或 40 Vpp

四个模拟输出通道：

16位，1.25 GSa/s DACs

输出2 Vpp 高达 500 MHz, 10 Vpp 高达100 MHz

应用亮点

「低延迟闭环控制设计和表征」

Moku:Pro 的 PID 控制器提供亚微秒的输入和输出延迟，非常适合高速闭环控制器应用。通过多仪器并行模式，可以实时PID控制器和频率响应分析仪并行以观察和测量控制器的传递函数和脉冲响应。还可以使用示波器和频谱分析仪在时域和频域中测量系统响应。控制器中的调整都会实时反映在监控仪器中。

「生成任意调制的信号」

通过结合任意波形发生器与多个波形发生器，Moku:Pro能够输出高稳定性的复杂波形。任意波形可以连接至波形发生器的输入端作为调制源。频率、相位和幅度调制也可以同时添加到信号中。这消除了查找表计算步骤并能更好的控制调制和输出信号。示波器或频谱分析仪可添加到其它插槽中测量信号。

「多谐波锁相放大器」

Moku:Pro的多仪器并行模式能够同时运行高达四个锁相放大器。每一个锁相放大器能在基波、二次或更高次谐波进行解调。测量出的 R/θ 或 X/Y 分量也可以在最终仪器插槽中的示波器中进行比较或输出至模拟输出端口。

要想将高端阀门引入关键性能环境，遵循全面的质量保证计划至关重要。Powell Valves将日立分析仪器公司的手持式X-MET X-射线荧光（XRF）分析仪测试纳入其质量控制计划，以对进出产品进行材料可靠性鉴定（PMI），确保高质量阀门完全符合规范。

Powell Valves公司成立于1846年，是一家高性能阀门供应商，产品用于美国和世界各地的工业制造管道系统，涵盖化工、石化和制药等多个行业。此类阀门用于ZJ挑战性的应用：高压、高温和高腐蚀性环境，在此类环境中，可靠的性能至关重要。

工程/质量副总裁Jim Hengehold表示：“PMI属于我们业务的必要组成部分。如今，我们的客户希望我们测试供应商提供的材料，以确保符合规格，这对于我们来说非常重要，对于我们的客户来说非常重要的一点是，我们提供具有正确材料成分的高质量阀门。”

复制下方链接打开下载案例研究，了解X-MET如何帮助其团队每年节省10,000美元。

链接：https://hha.hitachi-hightech.com/zh/blogs-events/blogs/2020/09/08/case-study-powell-valves-streamlines-pmi-and-quality-assurance-while-saving-money/

发生缺水事故时并非上述现象全都出现，一般情况下，只有前三种现象，而无后几种现象，则可能是轻微缺水，但不排除严重除水的可能性；如在前三种现象出现的同时，又出现后面几种现象时，一般即认为是严重缺水事故。　缺水事故的判断和处理

缺水事故有两种，一种是轻微缺水，即水位表虽看不到水位但锅筒内水位尚未降到水连管以下，这时水位表中出现的是一种虚假水位。这可用关闭水位表汽旋塞的办法，使水位表内蒸汽冷凝，形成真空负压而将尚未降到水连管以下的水吸引入水位表内。这种方法通称“叫水”。如叫水操作后，仍不见水位，说明水位至少已低于水连管以下了，很可能更严重，这时，就是发生严重缺水事故了。

如确认是轻微缺水事故，由于受热面尚未“干烧”，则完全可以进水到正常水位。如果原因不清，经上水仍不见水位时，或给水设备有故障时，则应立即停炉。如判断是严重缺水，则应立即紧急停炉，并降负荷，关闭给水阀门。

处理缺水事故重要的问题是，在未断定是轻微缺水以前和已确认是严重缺水以后，严禁向锅内进水。

发生严重缺水而停炉后，待炉体逐渐冷却，再对炉膛和其它处受热面以及炉墙、钢架等进行详细检查，如由于处理及时，不是十分严重缺水而无大问题时（如仅仅管子轻微变形），应查明和消除事故的致因，并在水压试验合格后投入使用；如过热较严重，引起胀口渗漏、管子严重变形、钢材严重过热烧损时（必要时做金相检查），则须检查合格后，方可使用。