Moku 激光锁频/稳频器 它将 Pound-Drever-Hall 激光锁定技术的多个关键电子元件集成到一台仪器中，使激光锁定过程比以往任何时候都更加简便，且性能丝毫不受影响。本应用笔记将介绍 PDH 锁定原理，概述使用 Moku 激光锁定盒将激光器锁定到高精细度谐振腔的步骤，并展示使用该锁定技术后激光频率稳定性显著提高的结果。欲了解更多信息， 下载有关 Pound-Drever-Hall (PDH) 激光锁定的终极指南的电子书。
Pound-Drever-Hall 激光锁定技术
在标准实验室环境中，激光器的频率会受到多种因素的影响而发生漂移，例如环境温度、注入电流和量子涨落。因此，在利用激光器进行精确测量的应用中，例如引力波探测、原子物理和分子痕量气体探测，激光频率稳定是必不可少的步骤。
实现激光频率稳定有多种方法——其中最常用的方法之一是利用稳定的机械装置将激光频率锁定到光学参考腔。 庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 方法是其中一种方法。它利用反射激光强度的导数作为误差信号，将激光频率锁定在腔谐振点，从而抑制频率波动。 [1].
当激光器锁定到谐振腔时，只有当激光器波长的整数倍与谐振腔的往返波长相匹配时，激光才能穿过谐振腔。此时，谐振腔的反射光强度也最小。图1显示了反射光强度与激光器频率（相对于谐振腔谐振频率）之间的关系。
然而，由于反射光强度在谐振频率两侧对称，且在谐振频率上下均为正值，因此很难将此信号用作反馈系统中的误差信号。如果激光频率偏离谐振频率，则无法判断激光频率是需要增加还是降低。但是，由于反射信号强度存在最小值，反射光的导数在谐振频率两侧会出现极性不同的零点。当频率低于谐振频率时，导数为负；当激光频率高于谐振频率时，导数为正。可以通过对激光频率进行微小调制（也称为抖动）来测量反射强度的导数。PDH 技术利用反射强度对激光频率的导数作为误差信号，动态调整激光频率以匹配谐振腔的谐振频率。
图2展示了PDH激光器锁定系统的组件和布局。其中，频率由本振驱动的电光调制器 (EOM) 进行调制。光电探测器捕获反射光，其输出通过混频器由本振解调。然后，混频信号通过低通滤波器，从调制频率的二次谐波中分离出直流（即极低频）分量。该直流分量用作误差信号，它不仅可以明确指示系统距离谐振点有多远，还可以指示必须朝哪个方向进行调整才能恢复谐振。然后，误差信号被发送到伺服放大器或比例-积分-微分 (PID) 控制器，并进入激光器上的调谐端口，将激光器锁定在谐振腔内。
Moku 激光锁频/稳频器
传统的PDH激光锁定工艺需要多种专用定制电子仪器，包括信号发生器、混频器、低通滤波器、伺服系统和示波器。Moku 激光锁频/稳频器 将大部分 PDH 电子元件集成到一个紧凑、易于使用的仪器中，提供高精度激光频率锁定。它包括一个 波形发生器 用于扫描和调制激光频率，用于解调误差信号的混频器和低通滤波器，以及两个级联 PID控制器 将快速和慢速控制信号反馈给激光器的执行器，例如压电或温度控制器。使用内置 示波器，用户还可以监控反射光的扫描响应并实时显示PDH信号（图3）。
PDH激光锁定实验装置
在本实验中，我们使用 Moku:Pro 激光锁定盒将激光器锁定到高精细度腔体上。图 4 展示了 PDH 激光稳定系统，该系统包含 Moku:Pro.
Coherent Mephisto S 光纤激光器 (1064 nm) 通过电光调制器 (EOM) 进行调制，并重定向到 10 cm 线性平凹腔（精细度 100,000）。 放置两个光电探测器 (PD) 来检测腔体中的透射光和反射光。 在 PD 上检测到的信号被馈送到 Moku:Pro 输入 1（用于反射信号（混频器输入））和输入 2（用于传输信号（监视器））。 然后，快速 PID 的输出 1 直接连接到激光器的压电元件以驱动激光频率，慢速 PID 的输出 2 连接到激光器的温度控制。
图5描述了激光锁箱的配置和设置。一个幅度为500 mV的本振(LO)pp 使用 Moku:Pro 激光锁相盒波形发生器生成频率约为 2.885 MHz 的本振信号。该本振信号随后从 Moku 的输出 3 发送至电光调制器 (EOM)。该本振信号也用于解调腔反射信号，解调过程使用数字混频器，混频器后接一个截止频率为 300.0 kHz 的数字四阶巴特沃斯低通滤波器。利用 Moku:Pro 激光锁相盒的集成扫描功能，我们将扫描发生器设置为以 10 Hz 的频率向压电陶瓷 (PZT) 致动器（输出 1）输出信号。
启用扫描信号后，我们可以使用内置示波器探头在滤波器输出端查看PDH误差信号。然后，我们调整了温度控制器的偏移量，并将谐振频率居中于扫描范围的中心。为了进一步优化误差信号，我们还调整了本振的相位，直到误差信号对称，并且在谐振频率附近具有最大的线性范围以进行锁定。在本例中，约113.6度的相移使我们获得了最佳的误差信号。我们将快速PID控制器配置为：比例增益-27 dB，积分器交叉频率7.5 kHz，双积分器交叉频率70.60 Hz。我们将慢速PID控制器配置为：积分器交叉频率4.883 mHz。
为了启用 PDH 锁定，我们逐渐减小扫描幅度，然后依次启用快速和慢速 PID 控制器。 作为一项高级功能，用户还可以通过配置锁定阶段或使用锁定辅助功能来锁定。 此功能允许用户选择解调误差信号的过零作为锁定点，这将自动启用快速 PID 控制器并将激光频率锁定到腔谐振。 然后，我们禁用积分器饱和，以使激光频率与腔体的直流频率对齐。
结果与讨论
使用内置示波器探测点，我们可以测量误差信号 RMS 并优化整体环路增益，如图 6 所示。增加增益可能会最小化误差信号的 RMS，但增益过高会导致振荡，而增益过低意味着激光频率扰动无法得到充分抑制。
用户可以使用 Moku:Pro 的多仪器模式功能验证闭环响应，从而进一步优化环路性能。Moku:Pro 可以使用频率响应分析仪，在 Moku:Pro 输出 1 和激光压电元件之间使用加法前置放大器注入扫频正弦扰动，并测量环路内注入扰动的抑制效果。有关频域优化的更多详细信息，请参阅 应用笔记.
我们使用单腔双激光器测试验证了优化后的控制回路性能。第二个激光器被锁定到第一腔激光器锁定频率之上的自由光谱范围（FSR），并使用第二个相同的Moku:Pro激光锁定盒装置进行控制。通过锁定两个独立的频率，我们比较了两个激光器在相同的公共腔噪声、独立的电子噪声和不相关的激光频率噪声下的性能。
这两个锁定激光器之间的残余频率变化与腔间隔噪声、腔涂层的热噪声以及实验室环境中的常见振动无关。这种仅由控制回路和传感器引起的噪声，是通过将来自两个激光路径的光合并到一个高速光电探测器中，然后用稳定的GHz函数发生器进行混频，并使用运行在Moku:Lab上的程序进行测量的。 相位表 仪器跟踪频率偏差。图7比较了使用Moku:Pro将激光器锁定到腔体前后的频率噪声。系统稳定性在0.001 Hz时提高了约10个数量级。频率噪声也降低到XNUMX-2赫兹/√赫兹。
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致谢
我们要感谢 Andrew Wade、Kirk McKenzie、Emily Rees、Namisha Chabbra、Jue Zhang 和澳大利亚国立大学向我们提供有关他们的实验的详细信息、他们如何使用 Moku:Pro 的解释以及对此应用说明的反馈。
案例
[1] P. Drever et al.，使用光学谐振器实现激光相位和频率稳定，卷。 31、应用。 Phys.B.，I983，第 97-105 页。
[2] ED Black，《庞德-德雷弗-霍尔激光频率稳定简介》，第69卷，美国物理教师协会，2000年，第79-87页。[3] 刘昌 et al.，远偏共振激光稳频技术，应用。 科学，2020。