Moku:Lab应用于激光器长时间稳频

Moku:Lab最新第十二个仪器功能激光锁频/稳频，具备高性能调制技术将激光器的频率稳定到参考腔或原子跃迁。Moku:Lab激光锁频/稳频单一仪器集成了波形发生器、示波器、滤波器、PID控制器多仪器功能，包含快速精确扫描和先进锁定诊断等自动化程序，能快速锁定到误差信号解调后的零交叉点，为激光频率稳定提供了一体化解决方案。

「主要特点」

信号处理框图

使用内部和外部本机振荡器解调信号

锯齿波或三角波共振扫描

使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号

使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。

高达四阶低通IIR无限冲激响应滤波器解调信号

可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈

使用“范围内扫描锁定“功能观测与扫描电压有关的信号

「典型参数」

本振频率1 mHz -200 MHz，频率分辨率3.55 µHz

扫描波形：正锯齿波，负锯齿波和三角波

扫描频率：1 mHz -1 MHz

低通滤波器截止频率：1 kHz - 14 MHz

提供滤波器类型： Butterworth, Chebyshev, Inverse Chebyshev, Elliptic, Gaussian, Bessel, Legendre

AC / DC输入耦合

50 Ω / 1 MΩ输入阻抗

下面应用说明介绍了如何通过Moku激光锁频/稳频仪器实现激光器频率长期锁定。

激光锁定系统广泛用于控制并将激光器的频率与光学频率参考匹配（这通常是光学参考腔或原子跃迁）。这种系统对于高分辨率干涉测量、光谱系统，以及时间和频率标准至关重要。

通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器一般两种情况：（1）锁定系统控制激光器频率且使其等于参考频率，这被称为频率稳定;（2）锁定系统迫使参考频率跟随激光频率，这被称为频率跟踪。无论是用于频率稳定还是频率跟踪，Liquid Instruments的Moku都可以实现高性能，高增益的激光锁定系统。Moku提供先进的设置、采集和诊断功能，使设置和表征激光锁定系统变得更加容易和快捷。

「激光锁定和PDH技术的基础知识」

任何激光锁定技术的核心都是测量并提供激光与频率参考之间差异或误差的测量。通常称为“误差信号”，该信号的质量最终决定了整个锁定系统的精度和准确性。可以说，获得误差信号的最精确方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技术。已经证明，在反馈系统中使用PDH误差信号可以非常精确地测量激光器或腔体的变化，从而将其用于吸收光谱和引力波检测等无数应用中。PDH误差信号技术有几个关键优势，例如：

1.    该技术可以精确地测量并提供了激光和共振腔之间的相位和频率差异

2.    该传感技术提供零交叉误差信号，当误差信号为零时代表其零频率差为零。

3.    假设所有信号处理都是以数字方式完成的，它避免了模拟电子和解调电路中产生的低频噪声。

这些优点难免需要付出一些代价。为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH技术应用射频调制和解调技术。这大大增加了信号处理系统的复杂性，也使光学系统变得复杂。但是，一旦理解，与PDH系统的优点相比，这些复杂性是微不足道的。

「使用Moku：激光锁频/稳频仪器实现激光锁定」

Moku：激光锁频/稳频大大简化了通常操作和使用PDH锁定系统的复杂程度。图1示出了PDH激光锁定系统的示例。该装置使用固态Nd：YAG NPRO激光器，其已经与一个中等精细度光学腔准直并模式匹配。随后使用Moku：激光锁频/稳频产生将激光锁定到腔的谐振频率所需的所有信号。

 

 

图1：PDH激光锁定系统的示例

锁定激光器包括：

1.    设置系统（包括准直）。

2.    调制激光

3.    寻找共振点

4.    获得误差信号

5.    打开反馈

6.    优化锁定

「系统设置」

为了使系统最佳地工作，需要确保激光器的出射光与腔的光轴良好准直，并且激光器的模式与谐振器的空间模式很好地匹配。重要的是要注意，未准直或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本不工作。最后，使用两个光电探测器监测系统；一个光电探测器接收从腔体反射回来的光，另一个接收穿过腔体的光。

「连接Moku：Lab输出端」

为了应用PDH成功锁腔，需要生成几个信号。

1.    调制信号：发送到EOM以产生相位调制边带。

2.   主要反馈信号：在这种情况下反馈到激光器的PZT频率控制器。为了驱动激光器的PZT，需要使用高压放大器（HV amp）。

3.    次反馈信号（可选）：可通过温度来调节激光频率，温度反馈的动态调控范围较广，但速度较慢。

在这种情况下，调制信号和次反馈信号在Moku：Lab的输出2上生成，并使用Bias-Tee分离。

「连接Moku：Lab输入端」

光电探测器接收到的反射信号通常包含了产生反馈信号所需的所有信息，将其与输入1连接并作为主要的信号输入通道。第二输入通道可以用来监控任何辅助信号。

1.   输入1用作大多数信号处理的主要通道。在该系统中，将光电探测器AC输出连接到Moku：Laser Lock Box的输入1。

2.   将透射光信号的直流分量连接到输入2，尽管不是必需的，但其有助于识别和优化锁定系统中的特征。

「调制激光」

在这种情况下的相位调制是通过向EOM施加正弦电压信号来实现的。调制信号可以辅助振荡器功能来产生。对于该系统，我们将使用10 MHz调制。

1.    将辅助振荡器设置为10 MHz。

2.    设置辅助振荡器的幅度。务必选择EOM规格范围内的电压。在这种情况下，我们将幅度设置为100 mV。

3.    选择Aux Oscillator输出。在此示例中，将Aux示波器设置为输出2。

4.    打开输出。

「扫描激光频率并找到共振频率」

扫描激光频率有助于表征和优化锁定信号。

Moku：Laser Lock Box附带扫描功能。在此示例中，我们将对扫描发生器进行设置，使其输出一个信号并通过输出1传递给PZT传动装置。步骤如下：

1.    将“扫描”设置为三角波

2.    将幅度设置为500 mV

3.    选择扫描信号的输出端，在此示例中为输出1

4.    打开输出

 

 

图2：辅助振荡器用于驱动EOM并创建相位调制边带

「使系统共振信号居中」

为了使激光锁定更顺利，我们通常可以在扫描中将共振信号调整到扫描信号的中央，后续可以通过调整温度控制器的偏移量来实现。调整温度偏移，直到扫描中心共振频率出现在扫描信号的零值附近。

「获取并优化误差信号」

为了获得误差信号，从光电探测器接收的RF信号需要用本地振荡器解调。选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。如下：

在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。

 

 

图3：通道A和B分别显示腔的透射响应和经过恢复的误差信号

「手动锁定激光」

1.    调整共振信号至扫描的中央.

2.    设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）

3.    打开PID控制器

4.    缓慢降低扫描幅度，直到激光功率达到最大值。

5.    关闭扫描

「使用Tap来锁定」

1.    调整共振信号至扫描的中央。

2.    设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）

3.    选择Tap为锁定模式

4.    选择需要锁定共振点

注意：确保反馈的方向正确。

「调整和优化锁定」

一旦系统锁定，我们可以根据需要优化锁定。这通常意味着调整PID控制器的增益。

要执行此操作，请打开PID控制器菜单：

1.    稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。

2.    稍微降低比例增益，直到系统停止振荡

3.    对积分器和微分器重复此操作（如有必要）

 

 

图4：当激光器锁定时，透射光的功率（通道A）将处于其恒定的最大值。误差信号（通道B）也将保持为零

除了激光锁频/稳频，Moku:Lab还集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、锁相放大器、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。

 

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