Moku:Lab最新第十二個(gè)儀器功能激光鎖頻/穩(wěn)頻，具備高性能調(diào)制技術(shù)將激光器的頻率穩(wěn)定到參考腔或原子躍遷。Moku:Lab激光鎖頻/穩(wěn)頻單一儀器集成了波形發(fā)生器、示波器、濾波器、PID控制器多儀器功能，包含快速精確掃描和先進(jìn)鎖定診斷等自動(dòng)化程序，能快速鎖定到誤差信號(hào)解調(diào)后的零交叉點(diǎn)，為激光頻率穩(wěn)定提供了一體化解決方案。

「主要特點(diǎn)」

信號(hào)處理框圖

使用內(nèi)部和外部本機(jī)振蕩器解調(diào)信號(hào)

鋸齒波或三角波共振掃描

使用內(nèi)置示波器觀測(cè)在信號(hào)處理過(guò)程中不同位置的信號(hào)

使用“點(diǎn)擊-鎖定”功能快速鎖定到誤差信號(hào)的任一零交叉點(diǎn)。

高達(dá)四階低通IIR無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器解調(diào)信號(hào)

可單獨(dú)配置的高帶寬、低帶寬PID控制器用于高頻、低頻反饋

使用“范圍內(nèi)掃描鎖定“功能觀測(cè)與掃描電壓有關(guān)的信號(hào)

「典型參數(shù)」

本振頻率1 mHz -200 MHz，頻率分辨率3.55 μHz

掃描波形：正鋸齒波，負(fù)鋸齒波和三角波

掃描頻率：1 mHz -1 MHz

低通濾波器截止頻率：1 kHz - 14 MHz

提供濾波器類型： Butterworth, Chebyshev, Inverse Chebyshev, Elliptic, Gaussian, Bessel, Legendre

AC / DC輸入耦合

50 Ω / 1 MΩ輸入阻抗

下面應(yīng)用說(shuō)明介紹了如何通過(guò)Moku激光鎖頻/穩(wěn)頻儀器實(shí)現(xiàn)激光器頻率長(zhǎng)期鎖定。

激光鎖定系統(tǒng)廣泛用于控制并將激光器的頻率與光學(xué)頻率參考匹配（這通常是光學(xué)參考腔或原子躍遷）。這種系統(tǒng)對(duì)于高分辨率干涉測(cè)量、光譜系統(tǒng)，以及時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

通過(guò)強(qiáng)制激光器和參考頻率相等來(lái)鎖定激光器一般兩種情況：（1）鎖定系統(tǒng)控制激光器頻率且使其等于參考頻率，這被稱為頻率穩(wěn)定;（2）鎖定系統(tǒng)迫使參考頻率跟隨激光頻率，這被稱為頻率跟蹤。無(wú)論是用于頻率穩(wěn)定還是頻率跟蹤，Liquid Instruments的Moku都可以實(shí)現(xiàn)高性能，高增益的激光鎖定系統(tǒng)。Moku提供先進(jìn)的設(shè)置、采集和診斷功能，使設(shè)置和表征激光鎖定系統(tǒng)變得更加容易和快捷。

「激光鎖定和PDH技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)」

任何激光鎖定技術(shù)的核心都是測(cè)量并提供激光與頻率參考之間差異或誤差的測(cè)量。通常稱為“誤差信號(hào)”，該信號(hào)的質(zhì)量最終決定了整個(gè)鎖定系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。可以說(shuō)，獲得誤差信號(hào)的最精確方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技術(shù)。已經(jīng)證明，在反饋系統(tǒng)中使用PDH誤差信號(hào)可以非常精確地測(cè)量激光器或腔體的變化，從而將其用于吸收光譜和引力波檢測(cè)等無(wú)數(shù)應(yīng)用中。PDH誤差信號(hào)技術(shù)有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如：

1. ? ?該技術(shù)可以精確地測(cè)量并提供了激光和共振腔之間的相位和頻率差異

2. ? ?該傳感技術(shù)提供零交叉誤差信號(hào)，當(dāng)誤差信號(hào)為零時(shí)代表其零頻率差為零。

3. ? ?假設(shè)所有信號(hào)處理都是以數(shù)字方式完成的，它避免了模擬電子和解調(diào)電路中產(chǎn)生的低頻噪聲。

這些優(yōu)點(diǎn)難免需要付出一些代價(jià)。為了獲得頻率/相位的這種精確測(cè)量，PDH技術(shù)應(yīng)用射頻調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。這大大增加了信號(hào)處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，也使光學(xué)系統(tǒng)變得復(fù)雜。但是，一旦理解，與PDH系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)相比，這些復(fù)雜性是微不足道的。

「使用Moku：激光鎖頻/穩(wěn)頻儀器實(shí)現(xiàn)激光鎖定」

Moku：激光鎖頻/穩(wěn)頻大大簡(jiǎn)化了通常操作和使用PDH鎖定系統(tǒng)的復(fù)雜程度。圖1示出了PDH激光鎖定系統(tǒng)的示例。該裝置使用固態(tài)Nd：YAG NPRO激光器，其已經(jīng)與一個(gè)中等精細(xì)度光學(xué)腔準(zhǔn)直并模式匹配。隨后使用Moku：激光鎖頻/穩(wěn)頻產(chǎn)生將激光鎖定到腔的諧振頻率所需的所有信號(hào)。

圖1：PDH激光鎖定系統(tǒng)的示例

鎖定激光器包括：

1.? ? 設(shè)置系統(tǒng)（包括準(zhǔn)直）。

2.? ? 調(diào)制激光

3.? ? 尋找共振點(diǎn)

4.? ? 獲得誤差信號(hào)

5.? ? 打開(kāi)反饋

6.? ? 優(yōu)化鎖定

「系統(tǒng)設(shè)置」

為了使系統(tǒng)最佳地工作，需要確保激光器的出射光與腔的光軸良好準(zhǔn)直，并且激光器的模式與諧振器的空間模式很好地匹配。重要的是要注意，未準(zhǔn)直或模式不匹配會(huì)導(dǎo)致鎖定性能降低，或者在極端情況下，系統(tǒng)根本不工作。最后，使用兩個(gè)光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；一個(gè)光電探測(cè)器接收從腔體反射回來(lái)的光，另一個(gè)接收穿過(guò)腔體的光。

「連接Moku：Lab輸出端」

為了應(yīng)用PDH成功鎖腔，需要生成幾個(gè)信號(hào)。

1. ? ?調(diào)制信號(hào)：發(fā)送到EOM以產(chǎn)生相位調(diào)制邊帶。

2. ? 主要反饋信號(hào)：在這種情況下反饋到激光器的PZT頻率控制器。為了驅(qū)動(dòng)激光器的PZT，需要使用高壓放大器（HV amp）。

3. ? ?次反饋信號(hào)（可選）：可通過(guò)溫度來(lái)調(diào)節(jié)激光頻率，溫度反饋的動(dòng)態(tài)調(diào)控范圍較廣，但速度較慢。

在這種情況下，調(diào)制信號(hào)和次反饋信號(hào)在Moku：Lab的輸出2上生成，并使用Bias-Tee分離。

「連接Moku：Lab輸入端」

光電探測(cè)器接收到的反射信號(hào)通常包含了產(chǎn)生反饋信號(hào)所需的所有信息，將其與輸入1連接并作為主要的信號(hào)輸入通道。第二輸入通道可以用來(lái)監(jiān)控任何輔助信號(hào)。

1. ? 輸入1用作大多數(shù)信號(hào)處理的主要通道。在該系統(tǒng)中，將光電探測(cè)器AC輸出連接到Moku：Laser Lock Box的輸入1。

2. ? 將透射光信號(hào)的直流分量連接到輸入2，盡管不是必需的，但其有助于識(shí)別和優(yōu)化鎖定系統(tǒng)中的特征。

「調(diào)制激光」

在這種情況下的相位調(diào)制是通過(guò)向EOM施加正弦電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)制信號(hào)可以輔助振蕩器功能來(lái)產(chǎn)生。對(duì)于該系統(tǒng)，我們將使用10 MHz調(diào)制。

1. ? ?將輔助振蕩器設(shè)置為10 MHz。

2. ? ?設(shè)置輔助振蕩器的幅度。務(wù)必選擇EOM規(guī)格范圍內(nèi)的電壓。在這種情況下，我們將幅度設(shè)置為100 mV。

3. ? ?選擇Aux Oscillator輸出。在此示例中，將Aux示波器設(shè)置為輸出2。

4. ? ?打開(kāi)輸出。

「掃描激光頻率并找到共振頻率」

掃描激光頻率有助于表征和優(yōu)化鎖定信號(hào)。

Moku：Laser Lock Box附帶掃描功能。在此示例中，我們將對(duì)掃描發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置，使其輸出一個(gè)信號(hào)并通過(guò)輸出1傳遞給PZT傳動(dòng)裝置。步驟如下：

1. ? ?將“掃描”設(shè)置為三角波

2. ? ?將幅度設(shè)置為500 mV

3. ? ?選擇掃描信號(hào)的輸出端，在此示例中為輸出1

4. ? ?打開(kāi)輸出

圖2：輔助振蕩器用于驅(qū)動(dòng)EOM并創(chuàng)建相位調(diào)制邊帶

「使系統(tǒng)共振信號(hào)居中」

為了使激光鎖定更順利，我們通?？梢栽趻呙柚袑⒐舱裥盘?hào)調(diào)整到掃描信號(hào)的中央，后續(xù)可以通過(guò)調(diào)整溫度控制器的偏移量來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)整溫度偏移，直到掃描中心共振頻率出現(xiàn)在掃描信號(hào)的零值附近。

「獲取并優(yōu)化誤差信號(hào)」

為了獲得誤差信號(hào)，從光電探測(cè)器接收的RF信號(hào)需要用本地振蕩器解調(diào)。選擇本地振蕩器的正確相位對(duì)于優(yōu)化誤差信號(hào)至關(guān)重要。如下：

在觀察誤差信號(hào)的同時(shí)調(diào)整本地振蕩器的相位。

圖3：通道A和B分別顯示腔的透射響應(yīng)和經(jīng)過(guò)恢復(fù)的誤差信號(hào)

「手動(dòng)鎖定激光」

1. ? ?調(diào)整共振信號(hào)至掃描的中央.

2. ? ?設(shè)置高頻PID控制器。（此處可以僅先設(shè)置積分器頻率在~10 Hz，因?yàn)楹罄m(xù)可以對(duì)響應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化）

3. ? ?打開(kāi)PID控制器

4. ? ?緩慢降低掃描幅度，直到激光功率達(dá)到最大值。

5. ? ?關(guān)閉掃描

「使用Tap來(lái)鎖定」

1. ? ?調(diào)整共振信號(hào)至掃描的中央。

2. ? ?設(shè)置高頻PID控制器。（此處可以僅先設(shè)置積分器頻率在~10 Hz，因?yàn)楹罄m(xù)可以對(duì)響應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化）

3. ? ?選擇Tap為鎖定模式

4. ? ?選擇需要鎖定共振點(diǎn)

注意：確保反饋的方向正確。

「調(diào)整和優(yōu)化鎖定」

一旦系統(tǒng)鎖定，我們可以根據(jù)需要優(yōu)化鎖定。這通常意味著調(diào)整PID控制器的增益。

要執(zhí)行此操作，請(qǐng)打開(kāi)PID控制器菜單：

1. ? ?稍微增加比例增益，直到系統(tǒng)開(kāi)始振蕩。

2. ? ?稍微降低比例增益，直到系統(tǒng)停止振蕩

3. ? ?對(duì)積分器和微分器重復(fù)此操作（如有必要）

圖4：當(dāng)激光器鎖定時(shí)，透射光的功率（通道A）將處于其恒定的最大值。誤差信號(hào)（通道B）也將保持為零

除了激光鎖頻/穩(wěn)頻，Moku:Lab還集成了示波器、頻譜分析儀、波形發(fā)生器、相位表、數(shù)據(jù)記錄器、鎖相放大器、PID控制器、波特分析儀、數(shù)字濾波器、任意波形發(fā)生器、FIR濾波器生成器十二個(gè)專業(yè)儀器。

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審核編輯：符乾江