모쿠 레이저 락 박스 본 애플리케이션 노트는 파운드-드레버-홀(PDH) 레이저 잠금 기술의 핵심 전자 부품들을 하나의 장비에 통합하여, 성능 저하 없이 레이저 잠금 과정을 그 어느 때보다 간편하게 만들어 줍니다. 이 노트에서는 PDH 잠금 원리, Moku 레이저 잠금 박스를 사용하여 레이저를 고정밀 공진기에 잠금하는 절차, 그리고 이 잠금 기술을 사용했을 때 레이저 주파수 안정성이 얼마나 크게 향상되는지 보여주는 결과를 설명합니다. 더 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 파운드-드레버-홀(PDH) 레이저 잠금에 대한 완벽한 가이드가 담긴 전자책을 다운로드하세요.
파운드-드레버-홀 레이저 락 기술
일반적인 실험실 환경에서 레이저의 주파수는 주변 온도, 주입 전류, 양자 요동 등 다양한 요인으로 인해 변동될 수 있습니다. 따라서 레이저 주파수 안정화는 중력파 탐지, 원자 물리학, 분자 미량 가스 탐지와 같이 레이저를 이용하여 정밀 측정을 수행하는 응용 분야에서 필수적인 과정입니다.
레이저 주파수 안정화에는 여러 가지 방법이 있으며, 가장 일반적인 방법 중 하나는 안정적인 기계적 구조를 통해 레이저 주파수를 광학 기준 공진기에 고정하는 것입니다. 파운드-드레버-홀(PDH) 방법은 이러한 방법 중 하나입니다. 반사된 레이저 강도의 미분을 오차 신호로 사용하여 레이저 주파수를 공동 공진에 고정하고 주파수 변동을 억제합니다. [1].
레이저를 공진기에 고정할 때, 레이저에서 나오는 빛은 파장의 정수배가 공진기의 왕복 길이와 일치할 때만 공진기를 통과할 수 있습니다. 이는 또한 공진기에서 반사되는 빛의 강도가 최소가 되는 지점이기도 합니다. 그림 1은 공진기 공진 주파수에 대한 레이저 주파수와 반사 강도 사이의 상관관계를 보여줍니다.
하지만 반사광 강도는 공진 주파수를 중심으로 대칭이며, 공진 주파수 위아래 모두에서 양의 값을 가지므로 피드백 시스템에서 오차 신호로 사용하기 어렵습니다. 레이저 주파수가 공진 주파수에서 벗어나면 레이저 주파수를 높여야 할지 낮춰야 할지 판단하기 어렵습니다. 그러나 반사 신호 강도의 최솟값 때문에 반사광의 미분값은 공진 주파수를 기준으로 양쪽에서 서로 다른 극성을 가진 영점 교차를 나타냅니다. 주파수가 공진 주파수보다 낮을 때는 음수이고, 공진 주파수보다 높을 때는 양수입니다. 반사 강도의 미분값은 레이저 주파수에 작은 변조(디더링)를 가하여 측정할 수 있습니다. PDH(Photonic Dimension Heterogeneity) 기술은 레이저 주파수에 대한 반사 강도의 미분값을 오차 신호로 사용하여 레이저 주파수를 공진 주파수에 맞추도록 동적으로 조정합니다.
그림 2는 PDH 레이저 잠금 시스템의 구성 요소와 레이아웃을 보여줍니다. 여기서 주파수는 국부 발진기로 구동되는 전기 광학 변조기(EOM)를 통해 변조됩니다. 광 검출기는 반사된 빛을 포착하고, 그 출력은 믹서를 통해 국부 발진기로 복조됩니다. 혼합된 신호는 저역 통과 필터를 통과하여 변조 주파수의 XNUMX차 고조파에서 DC(매우 낮은 주파수) 성분을 분리합니다. 이 DC 성분은 오차 신호로 사용되며, 이는 시스템이 공진 상태에서 얼마나 떨어져 있는지뿐만 아니라 공진을 복원하기 위해 어떤 방향으로 조정해야 하는지를 명확하게 나타냅니다. 오차 신호는 서보 증폭기 또는 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러로 전송되고 레이저의 튜닝 포트로 전달되어 레이저를 공동에 고정합니다.
Moku 레이저 잠금 상자
기존의 PDH 레이저 잠금 공정에는 신호 발생기, 믹서, 저역 통과 필터, 서보 시스템 및 오실로스코프를 포함한 여러 개의 맞춤형 전자 장비가 필요합니다. Moku는 이러한 요구를 충족합니다. 레이저 락 박스 대부분의 PDH 전자 장치를 고정밀 레이저 주파수 잠금 기능을 제공하는 사용하기 쉬운 하나의 소형 장비에 통합합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다. 파형 발생기 레이저 주파수를 스캐닝하고 변조하기 위한 믹서와 오류 신호 복조를 위한 저역 통과 필터, 그리고 두 개의 계단식으로 연결된 PID 컨트롤러 빠르고 느린 제어 신호를 피에조 또는 온도 컨트롤러와 같은 레이저 액추에이터에 다시 제공합니다. 내장 사용하기 오실로스코프, 사용자는 반사광의 스캐닝 응답을 모니터링하고 PDH 신호를 실시간으로 표시할 수도 있습니다(그림 3).
PDH 레이저 잠금을 위한 실험 설정
이 실험에서는 Moku:Pro Laser Lock Box를 사용하여 레이저를 고정밀 캐비티에 고정했습니다. 그림 4는 PDH 레이저 안정화 시스템을 보여줍니다. Moku:Pro.
코히런트 메피스토 S 파이버 레이저(1064nm)를 전기광학 변조기(EOM)로 변조하여 10cm 선형 평면-오목 공동(피네스 100,000)으로 재전송했습니다. 두 개의 광검출기(PD)를 설치하여 공동에서 투과된 빛과 반사된 빛을 검출했습니다. PD에서 검출된 신호는 Moku:Pro 입력 1(반사 신호, 믹서 입력)과 입력 2(투과 신호, 모니터 입력)로 입력되었습니다. 고속 PID의 출력 1은 레이저의 압전 소자에 직접 연결되어 레이저 주파수를 구동했고, 저속 PID의 출력 2는 레이저의 온도 제어 장치에 연결되었습니다.
그림 5는 레이저 잠금 상자의 구성 및 설정을 보여줍니다. 진폭이 500mV인 국부 발진기(LO)pp 약 2.885MHz의 주파수를 갖는 LO 신호는 Moku:Pro Laser Lock Box 파형 발생기를 사용하여 생성되었습니다. 생성된 LO 신호는 Moku 출력 3을 통해 EOM(전기 발진기)을 구동하는 데 사용되었습니다. 동일한 LO 신호는 디지털 방식으로 구현된 믹서와 차단 주파수 300.0kHz의 디지털 4차 버터워스 저역 통과 필터를 사용하여 공진기 반사 신호를 복조하는 데에도 사용되었습니다. Moku:Pro Laser Lock Box의 통합 스캐닝 기능을 이용하여 스캔 발생기가 10Hz 주파수의 신호를 PZT 액추에이터(출력 1)로 출력하도록 설정했습니다.
스캐닝 신호를 활성화한 후, 필터 출력단에 내장된 오실로스코프 프로브를 대고 PDH 오차 신호를 확인할 수 있었습니다. 그런 다음 온도 컨트롤러에 적용된 오프셋을 조정하여 공진 주파수를 스캔 중앙에 맞췄습니다. 오차 신호를 더욱 최적화하기 위해, 오차 신호가 대칭이 되고 공진 주파수 주변의 선형 범위가 최대화될 때까지 국부 발진기의 위상을 조정하여 록킹을 수행했습니다. 이 예에서는 약 113.6도의 위상 변화가 최적의 오차 신호를 제공했습니다. 고속 PID 컨트롤러는 비례 이득 -27dB, 적분기 교차 주파수 7.5kHz, 이중 적분기 교차 주파수 70.60Hz로 설정했습니다. 저속 PID 컨트롤러는 적분기 교차 주파수 4.883MHz로 설정했습니다.
PDH 잠금을 활성화하기 위해 스캐닝 진폭을 점진적으로 감소시킨 후, 고속 및 저속 PID 컨트롤러를 순차적으로 활성화했습니다. 고급 기능으로, 사용자는 잠금 단계를 구성하거나 잠금 지원 기능을 사용하여 잠금을 활성화할 수도 있습니다. 이 기능을 사용하면 복조된 오차 신호의 영점 교차점을 잠금 지점으로 선택할 수 있으며, 이 지점에서 고속 PID 컨트롤러가 자동으로 활성화되고 레이저 주파수가 공동 공진에 고정됩니다. 그런 다음 레이저 주파수를 공동의 DC 주파수에 맞추기 위해 적분기 포화를 비활성화했습니다.
결과 및 논의
그림 6에서 보듯이 내장된 오실로스코프 프로브 포인트를 사용하여 오류 신호 RMS를 측정하고 전체 루프 이득을 최적화할 수 있습니다. 이득을 높이면 오류 신호의 RMS가 최소화될 가능성이 있지만, 이득이 너무 높으면 진동이 발생할 수 있고, 이득이 너무 낮으면 레이저 주파수 교란이 충분히 억제되지 않습니다.
사용자는 Moku:Pro의 다중 계측기 모드 기능을 사용하여 폐루프 응답을 검증함으로써 루프 성능을 더욱 최적화할 수 있습니다. Moku:Pro는 주파수 응답 분석기(Frequency Response Analyzer)를 통해 Moku:Pro 출력 1과 레이저 피에조 사이에 합산 전치 증폭기를 사용하여 스윕 사인 교란을 주입하고, 루프 내에서 주입된 교란의 억제를 측정할 수 있습니다. 주파수 영역 최적화에 대한 자세한 내용은 이 문서에서 확인할 수 있습니다. 앱 노트.
본 연구에서는 단일 공진기와 두 개의 레이저를 사용하는 테스트를 통해 최적화된 제어 루프의 성능을 검증했습니다. 두 번째 레이저는 동일한 Moku:Pro 레이저 락 박스 설정을 사용하여 첫 번째 레이저의 락 주파수보다 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 하나 높은 공진기에 락되었습니다. 두 개의 독립적인 주파수에서 락이 이루어진 후, 두 레이저는 동일한 공통 공진기 잡음 조건에서 비교되었지만, 전자 잡음은 독립적이었고 레이저 주파수 잡음은 서로 상관관계가 없었습니다.
두 개의 고정된 레이저 사이의 잔류 주파수 변동은 캐비티 스페이서 노이즈, 캐비티 코팅의 열 노이즈, 그리고 실험실 환경의 일반적인 진동과는 무관했습니다. 제어 루프와 센서에서만 발생하는 이 노이즈는 두 레이저 경로의 빛을 고속 광검출기로 결합하고, 안정적인 GHz 함수 발생기로 혼합한 후, Moku:Lab을 사용하여 측정했습니다. 위상 계측기 주파수 편차를 추적하는 장비입니다. 그림 7은 Moku:Pro를 사용하여 레이저를 공동에 고정하기 전과 후의 주파수 잡음을 비교합니다. 시스템 안정성은 0.001Hz에서 약 10배 향상되었습니다. 주파수 잡음도 XNUMX-2Hz/√Hz.
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감사의 글
실험에 대한 세부 정보와 Moku:Pro 사용 방법에 대한 설명, 그리고 이 앱 노트에 대한 피드백을 제공해 주신 Andrew Wade, Kirk McKenzie, Emily Rees, Namisha Chabbra, Jue Zhang, 그리고 호주국립대학교에 감사드리고 싶습니다.
참고자료
[1] P. Drever et al., 광학 공진기를 사용한 레이저 위상 및 주파수 안정화, 제31권, 응용물리학학보, I983, 97-105쪽.
[2] ED Black, Pound–Drever–Hall 레이저 주파수 안정화 소개, 제69권, 미국 물리학 교사 협회, 2000, 79-87쪽. [3] Z. Chang Liu et al., 원거리 공진 레이저 주파수 안정화 기술, 응용 과학, 2020.