このアプリケーション ノートでは、当社の顧客の 1 人が、いくつかの高度な電子デバイスを Moku:Lab に置き換え、パウンド・ドレバー・ホール (PDH) 技術を使用して Innolight Prometheus レーザーをキャビティにロックした実際のストーリーを取り上げます。
PDH テクニックの紹介
パウンド・ドレバー・ホール (PDH) 手法は、1983 年に RV パウンド、ロナルド・ドレバー、ジョン L. ホールによって初めて導入されました。1これは、レーザーの発振光周波数をファブリ・ペロー共振器に合わせるための広く用いられている方法です。レーザー光が共振器に入射すると、反射、透過、または吸収されます。共振器の長さがレーザーの半波長の正確な数に近づくほど、レーザーのエネルギーの透過率が向上します。残念ながら、レーザーの周波数と共振器の長さは、周囲温度、注入電流、量子ゆらぎなどのさまざまな要因によって常に変化します。PDHロックでは、共振器から反射された光を利用して誤差信号を生成します。この誤差信号を用いて、共振器の長さまたはレーザーの周波数を微調整し、両者が一致した状態を維持し、透過率を最大化します。PDH技術では、光検出器を用いて反射光を捕捉します。この反射光は、電気光学変調器（EOM）によって変調され、局部発振器の信号と混合されます。その後、低域通過フィルタを通して、共振からどれだけ離れているかだけでなく、共振を回復するためにどの方向に調整する必要があるかを明確に示す信号成分を分離します。読み出し信号は比例積分微分（PID）コントローラに送られ、誤差信号が生成されます。PDH技術の理論の詳細については、いくつかのレビュー論文や学位論文を参照してください。PDHロックを実行するには、信号発生器、ミキサー、ローパスフィルタなど、専用のカスタムメイドの電子機器がいくつか必要です。 Moku:Lab Laser Lock Box は、PDH 電子機器の大部分を、高精度のレーザー周波数ロックを提供する単一のコンパクトで使いやすい機器に統合します。実験装置
ザ・モク：ラボ レーザーロックボックス 波形ジェネレータ、ミキサー、ローパス フィルター、および PDH 技術に使用される 2 つのカスケード PID コントローラーが統合されています。レーザーキャビティの長さを調整することで、反射光の振幅を監視し、PDH 信号をリアルタイムで画面に表示できます。ユーザーは、シングルタップでレーザーを任意のゼロクロスポイントにロックできます。
図1： Moku:Lab レーザー ロック ボックスのメイン ユーザー インターフェイス
セットアップ例では、プロメテウス レーザー (Innolight、20NE) が電気光学変調器 (EOM、 iXBlue、NIR-MPX-LN-0.1）から出力された光は、168kHzの線幅を持つ1.78面鏡式進行波共振器（190mm、FSRXNUMXGHz）に入射した。反射光は入力カプラの即発反射光から捕捉された。XNUMXつのフォトダイオード（PD、Thorlabs社製）が、 PDA05CF2）が配置され、共振器からの透過光と反射光を検出しました。PDで検出された信号は、Moku:Labの入力1（ミキサー入力、AC結合@50Ω）と2（モニター、DC結合@50Ω）に供給されました。500MHzで3.0mVppの局部発振器（LO）信号は、Moku Laser Lock Box波形発生器によって生成されました。LOはMoku出力2からバイアスTee（Minicircuits、 ZFBT-6G+LO波形のデジタルコピーも、デジタル実装ミキサーとそれに続く300.0 kHzのコーナー周波数を持つデジタル4次バターワース低域通過フィルタを使用して、光共振器からの反射応答を復調するために使用されました。ミキサーでのLOの位相シフトは、レーザー周波数を共振器共振にわたってスキャンし、誤差信号のピークツーピーク電圧（傾斜）が最大になるまで位相遅延を調整することによって調整されました。高速PIDコントローラは、積分器のユニティゲイン周波数（0 dB点）が5.8 kHz、初期積分器飽和コーナーが100 Hzに設定されました。高速PIDの出力1は、レーザー周波数を駆動するためにレーザーのピエゾに直接接続されました。スキャンモードでは、共振器共振を検出するために、この出力からランプ信号も生成されました。低速PIDコントローラは、比例ゲインが-32.2 dB、積分器のクロスオーバー周波数が200 mHzに設定されました。この低周波 PID コントローラの出力は、出力 2 のバイアス Tee を使用して分離され、レーザーの温度制御 BNC に送られました。20 dB の減衰 (Minicircuits、 HAT-20+) も、感度を下げるためにこのレーザー温度アクチュエータにインラインで配置されました。
図2： Moku:Lab を使用した PDH 技術の実験セットアップ
Moku:Lab で PDH 技術レーザー周波数ロックを採用
PDHロックを確立するために、まずレーザーロックモードでランプスキャンによりPDH読み出し信号を生成しました。低速温度オフセットを調整し、キャビティ共振をスキャン範囲の中央に近づけました。次に、シングルタップを使用して、中央のゼロクロスポイントをロックポイントとして選択しました。これにより高速PIDコントローラが起動し、レーザー周波数がキャビティにロックされました。次に、積分器の飽和をオフにし、レーザー周波数をキャビティのDC周波数に合わせました。次に低速コントローラを起動し、0.1Hz未満の周波数におけるレーザーの圧電トランスデューサー（PZT）の制御負荷を軽減することで、室内/実験室環境の幅広い変化に対してレーザーがロックされた状態を維持できるようにしました。
図3： PDH エラー信号のプロットとタップしてゼロクロス点をロックする例
図4： 低速（温度）PIDコントローラーの構成例