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Moku：Pro/Lab/Go的激光穩(wěn)頻一體化解決方案

Pound-Drever-Hall（PDH）技術(shù)是一種主動(dòng)鎖頻技術(shù)，是目前激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中性能手段之一,，由 R.V. Pound,，Ronald Drever 和 John L在19831年提出的。利用Fabry-Perot（F-P）腔穩(wěn)頻的激光系統(tǒng)是最常見的一種穩(wěn)頻方法,。當(dāng)激光被射入一個(gè)F-P腔中時(shí),，它會(huì)被反射、透射或吸收,，腔的長度越接近激光器的精確波長的一半,，激光器的能量就會(huì)被傳輸?shù)脑竭h(yuǎn)。不幸的是,，激光的頻率和腔長的連續(xù)變化取決于一系列的因素,，如環(huán)境溫度、注入電流和量子波動(dòng),。PDH鎖定利用從諧振腔反射出來的光來產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào),，來對諧振腔的長度或激光器的頻率進(jìn)行微調(diào)，從而完成腔長和激光頻率的某種匹配,，以達(dá)到最大限度地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,。

根據(jù)框圖簡單說一下PDH技術(shù)，激光器輸出頻率為ω的激光,，然后經(jīng)過EOM晶體（electric-optical modulator）電光調(diào)制器,，對激光光場進(jìn)行射頻電光相位調(diào)制，然后將調(diào)制后的激光信號(hào)經(jīng)過偏振分束棱鏡（PBS）與四分之一波片（λ/4）進(jìn)入光學(xué)腔,，然后通過反射到達(dá)光電探測器,，偏振分束棱鏡（PBS）與四分之一波片（λ/4）的作用就是讓腔反射光進(jìn)入探測器。然后對反射光信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào),，得到反射光中的頻率失諧信息,，產(chǎn)生誤差信號(hào)，然后通過低通濾波器和PID（比例積分電路）處理后,，反饋到激光器的壓電陶瓷或者聲光調(diào)制器等其他響應(yīng)器件,，進(jìn)行頻率補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)將普通激光鎖定在超穩(wěn)光學(xué)腔上,。關(guān)于PDH技術(shù)的理論細(xì)節(jié)可以在一些綜述論文和學(xué)位論文中找到,。為了實(shí)現(xiàn)PDH鎖定，需要一些專用的和定制的電子儀器,，包括信號(hào)發(fā)生器,，混頻器和低通濾波器。Moku的激光鎖盒集成了全部的PDH電子儀器,，在提供高精度的激光穩(wěn)頻功能上實(shí)現(xiàn)了便捷易用,。

圖1：PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)原理圖

一． 實(shí)驗(yàn)裝置

Moku的激光鎖盒集成了波形發(fā)生器,、混頻器、低通濾波器和用于PDH鎖定的雙級(jí)聯(lián)PID控制器,。通過調(diào)節(jié)激光腔的長度,，可以監(jiān)測反射光的振幅，并在屏幕上實(shí)時(shí)顯示PDH信號(hào),。用戶只需輕輕一敲就可以將激光鎖定在任何過零點(diǎn),。

圖2： 主用戶界面Moku:Lab激光鎖盒

在一個(gè)示例設(shè)置中，Prometheus激光器（Innolight, 20NE）的出射光由電光調(diào)制器（EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1）調(diào)制,，照射到由三鏡環(huán)形腔（168 mm,，即1.78 GHz的FSR），此腔體線寬為190 kHz,。反射光被輸入耦合器即時(shí)反射捕獲,。用兩個(gè)光電二極管（PD, Thorlabs, PDA05CF2）來檢測腔體的透射光和反射光。PD上檢測到的信號(hào)被輸入到Moku:Lab的輸入1（混頻器輸入,，交流耦合電阻50 Ω）和輸入2（監(jiān)視器,，直流耦合電阻50 Ω）。利用Moku的激光鎖盒波形發(fā)生器,，在3.0 MHz的頻率下產(chǎn)生了500 mVpp的本振（LO）信號(hào),。然后LO信號(hào)從Moku：Lab的輸出2輸出，通過偏置器 （miniccircuits, ZFBT-6G+）驅(qū)動(dòng)EOM,。用LO數(shù)字信號(hào)波形解調(diào)來自光學(xué)腔的反射響應(yīng)信號(hào),，這里我們用到了數(shù)字混頻器和角頻300.0 kHz的四階數(shù)字低通濾波器。通過掃描空腔共振的激光頻率,，調(diào)整相位延遲,，直到誤差信號(hào)峰-峰電壓（斜率）最大，從而調(diào)整混頻器處LO信號(hào)的相移,。

快速PID控制器的積分器單位增益頻率（0 dB點(diǎn)）為5.8 kHz,，初始積分器飽和角為100 Hz。然后將快速PID的輸出1直接連接到激光器的壓電陶瓷上來驅(qū)動(dòng)激光頻率,。在掃描模式下,，該輸出也會(huì)產(chǎn)生斜坡信號(hào)來發(fā)現(xiàn)空腔諧振,。低頻PID控制器的比例增益為-32.2 dB,，積分器交叉頻率為200 mHz。Moku：Lab的輸出2出來后通過Bias-Tee分成了兩路,，一路到了EOM,，一路到了激光的溫度控制BNC接口端。在該激光溫度致動(dòng)器上放置了一個(gè)20dB的衰減（Minicircuits, HAT-20+）,，以降低其靈敏度,。

圖3：利用Moku：Lab建立的PDH技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置

二． Moku系列產(chǎn)品參數(shù)

Moku：Pro Hardware

Specifications

Analog I/O

Analog inputs

Analog outputs

三． 結(jié)果和討論

通過監(jiān)控傳輸?shù)墓怆娞綔y器功率,，并通過ccd相機(jī)（也可以使用紅外敏感觀察卡）查看傳輸過程中的激光模式形狀，來驗(yàn)證激光對腔和TEM00模式的鎖定,。這些監(jiān)測信號(hào)的時(shí)域信息很容易在Moku:Lab的激光鎖盒功能內(nèi)置的示波器中實(shí)時(shí)查看,。

利用內(nèi)置的示波器測量特性來捕捉誤差信號(hào)均方根RMS，對整個(gè)環(huán)路的增益進(jìn)行了基本優(yōu)化,。增加增益使誤差信號(hào)的均方根最?。惶嗟脑鲆鏁?huì)引起振蕩,，太少的增益意味著激光頻率擾動(dòng)仍然沒有得到充分的抑制,。進(jìn)一步的環(huán)路性能改進(jìn)可以通過頻域優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，這可以通過在Moku:Lab輸出1和激光壓電之間注入掃頻正弦擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn),，激光壓電使用了求和前置放大器,，并可以測量回路中注入擾動(dòng)的抑制。這樣的測量可以進(jìn)行使用第二個(gè)Moku:Lab的功能：頻率響應(yīng)分析儀,。在這些高度優(yōu)化的配置中,，環(huán)路的單位增益頻率應(yīng)該優(yōu)化到30-60 kHz（高于這通常相對于激光的壓電響應(yīng)速度快很多）。

在一次測試中,，使用單腔雙激光測試驗(yàn)證了控制回路的性能,。第二個(gè)激光器被鎖定在腔內(nèi)一個(gè)自由光譜范圍（FSR）上，第一個(gè)激光器的鎖與第二個(gè)具有相同的Moku:Lab激光鎖頻設(shè)置,。在兩個(gè)獨(dú)立頻率的鎖定下,，比較了兩種激光器在相同的普通腔的噪聲：獨(dú)立的電子噪聲和Moku數(shù)字化噪聲。這兩種鎖定激光器之間的剩余頻率變化與腔間隔噪聲,、腔涂層的熱噪聲和來自實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的常見振動(dòng)無關(guān),，這種噪聲僅由控制回路和傳感器產(chǎn)生，測量方法是將來自兩個(gè)激光路徑的光結(jié)合到一個(gè)高速光電探測器中,，與一個(gè)穩(wěn)定的GHz函數(shù)發(fā)生器混頻,，并使用第三個(gè)Moku:Lab儀器，一個(gè)相位表,，來跟蹤頻率偏差,。Moku:Lab相位表通過產(chǎn)生相對頻率噪聲的ASD來讀出剩余頻率噪聲。我們得到了在每個(gè)環(huán)路10 Hz的情況下,，控制回路的殘余噪聲是0.1 Hz/ Hz,。腔激光鎖模的真實(shí)絕對性能最終受到基頻熱涂層噪聲的限制。

在以上的實(shí)驗(yàn)論述中,，我們發(fā)現(xiàn)我們需要三臺(tái)Moku：Lab來功能完成這個(gè)實(shí)驗(yàn),。如果我們使用Moku：Pro的多儀器并行功能，即可同時(shí)在一臺(tái)儀器上運(yùn)行多個(gè)功能,，更加節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室空間以及實(shí)驗(yàn)的便捷性,。

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相關(guān)文獻(xiàn)：

[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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