Institut für Mikroelektronische Systeme Studium Studien- & Abschlussarbeiten Abgeschlossene Arbeiten
Konzeption und Evaluation eines STFT-basierten Hardware Moduls zur Wellenlängenregelung eines verstimmbaren Diodenlasers für Weltraummissionen

Konzeption und Evaluation eines STFT-basierten Hardware Moduls zur Wellenlängenregelung eines verstimmbaren Diodenlasers für Weltraummissionen

Betreuung:  Spindeldreier, Christian
Student/in:  Torben Witte
Jahr:  2018
Datum:  24-01-18
Laufzeit:  04.07.2017-24.01.2018
Ist abgeschlossen:  ja

Am Fachgebiet „Architekturen und Systeme“ des Instituts für Mikroelektronische Systeme werden im Rahmen eines Verbundprojektes Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung und Plattformen für die Steuerung und Auswertung von physikalischen Experimenten unter Weltraumbedingungen konzipiert und implementiert. Dabei müssen höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit der Systeme eingehalten werden. 

Ziel des Verbundprojektes ist der quantenmechanische Test der von Albert Einstein im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie postulierten Universalität des Freien Falls (UFF). Dabei wird das Prinzip der differentiellen Messung der relativen Beschleunigung zweier atomarer Ensembles, so genannter Bose-Einstein-Kondensate (BEC) angewandt. Ein BEC ist ein Aggregatszustand gleicher Teilchen, die sich im gleichen quantenmechanischen Zustand befinden und mit einer einzigen Wellenfunktion beschrieben werden können. Der Aggregatszustand wird jedoch erst im Nanokelvin Bereich erreicht, so dass für die Erzeugung der BECs unter anderem magneto-optische Fallen (MOT) eingesetzt werden. Diese nutzen das Prinzip der Laserkühlung, bei dem das Ensemble aus allen 6 Raumrichtungen mit Lasern bestrahlt wird, deren Frequenz knapp über der Resonanzfrequenz der Atome im Ensemble liegt.

Im Projekt werden in den MOTs Distributed-Feedback- (DFB), sowie External Cavity Diode Laser (ECDL) eingesetzt, bei denen die Wellenlänge des emittierten Lichts vom Eingangsstrom und der Dioden-Temperatur abhängig ist. Da weiterhin auch mechanische Belastungen die Wellenlänge beeinflussen ist es notwendig, eine automatische Regelung der Laserwellenlänge bereitzustellen, bei der die Wellenlänge über den Diodenstrom geregelt wird. Die Wellenlänge kann dabei zum Beispiel mithilfe der Rubidium- oder Kalium-Spektroskopie bestimmt werden. Dabei scannt der Laser initial über sein gesamtes Spektrum, wobei das Referenzspektrum erstellt wird. Später scannt der Laser wiederholt über ein spektrales Fenster um die eingestellte Wellenlänge, um so die Position im Referenzspektrum wiederzufinden. Anschließend wird der Eingangsstrom der Laserdiode angepasst, um die Sollwellenlänge zu erreichen. Die gesamte Regelschleife soll eine Ausführungszeit von 150μs nicht überschreiten. 

Daher soll ein Algorithmus für die Bestimmung der Wellenlänge auf Basis der Short Time Fourier Transformation (STFT) implementiert und auf die Anwendung angepasst werden. Anschließend soll dieser Algorithmus in VHDL optimiert auf ein Intel FPGA abgebildet und in ein bestehendes System on Chip integriert werden. Dabei steht neben der Einhaltung des Echtzeitkriteriums ein möglichst geringer Ressourcenverbrauch im Vordergrund. Abschließend soll diese Implementierung mit zur Verfügung stehenden Zeitbereichsverfahren verglichen werden.