Instrumentación y control con aplicaciones en óptica y metrología - Luda, Marcelo Alejandro (2021)
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.