本回顾和问答环节补充了我们的网络研讨会，题为“采用可重构仪器的高性能 PDH 锁定”，我们与 Photonics Media 于 18 年 2024 月 21 日联合举办了该网络研讨会。Aunion Tech 于 XNUMX 月 XNUMX 日举办了该网络研讨会的中文版。如果您无法参加现场直播， 注册并获取点播链接.
除了网络研讨会摘要之外，我们还针对以下选定的观众问题提供深入的解答。
网络研讨会回顾
本次网络研讨会由三部分组成。在第一部分中，我们讨论了激光稳频的动机和方法，以及其应用。我们还分享了将激光器锁定到光学谐振腔的不同技术，包括边缘锁频、抖动锁频和 Pound-Drever-Hall (PDH) 锁频，以及每种技术的相对优缺点。
在第二部分中，我们深入探讨了激光锁频的物理原理。我们探讨了信号处理主题，例如相位调制、I/Q 信号和光学谐振腔动态特性，以及图形辅助工具来对 PDH 误差信号生成过程的可视化。
在最后一个环节中，我们现场演示了 Moku 激光锁频/稳频器 作为一体化激光稳定工具。我们使用模拟激光锁定装置 多仪器并行模式 完全 Moku:Pro，以波形发生器作为频率源，数字滤波盒作为参考腔。我们使用 PDH 方法建立了对伪腔的锁定。
观众提问
我是否需要额外的光学谐振腔和电光调制器 (EOM) 来与该仪器一起使用？
是的。在 PDH 锁频实验中，Moku 激光锁频/稳频器替代了锁相放大器、低通滤波器、PID 控制器和调制信号源的功能。由于锁频的确切配置和需求可能有很大差异，因此用户需要提供自己的 EOM、光学谐振腔和光电二极管。
Moku 可以用于 Hänsch-Couillaud 锁频吗？
虽然网络研讨会没有涉及，但 Hänsch-Couillaud 方法是另一种激光锁频技术。它包括生成线性偏振激光光束，并将其传输并通过放置偏振器的光学谐振腔。离开腔体后，反射光束通过分光镜到达两个光电探测器。误差信号就是两个探测器的光电流之差。
由于此方法不需要频率调制、EOM 或解调，因此激光锁频/稳频器的这部分功能也不需要了。从激光锁频/稳频器的主界面，用户可以将解调源设置为“无”，输入 A 将是误差信号本身，快速和慢速 PID 参数保持默认设置。
Moku PID控制器 也可以执行这种锁频方法，通过其内置的控制矩阵充当差分放大器，此外还具有产生反馈信号的能力。
Moku 能支持 PDH 锁频过程中的正交解调吗？
目前，激光锁频/稳频器提供误差信号的单相解调。Moku 锁相放大器从另一方面提供了双相解调选项以及直角坐标（X/Y）和极坐标（R/Θ）的选择。如果您需要使用 I/Q 解调来满足激光锁频/稳频需求，我们建议使用 Moku 锁相放大器以及内置的 PID 控制器来生成反馈信号，如图 1 所示。
图 1. Moku 锁相放大器，显示了 X/Y 坐标系以及配置在仪器输出通道上的内置 PID 控制器。
有哪些数字滤波器可供选择？
Moku 激光锁频/稳频器在信号处理链中内置了一个数字低通滤波器，在解调之后用来去除高频成分。此滤波器的截止频率可以任意设置。如果您需要进一步过滤输入或输出信号，激光锁频/稳频器可以与 数字滤波器，如图 2 所示。数字滤波器中包含 8 种不同类型的低通、高通和带通滤波器选项（高斯、巴特沃斯等），或您自定义的滤波器。用户还可以为 DSP 链路中的信号添加偏置电压或增益。
图 2. Moku 数字滤波盒可以通过滤波来自光电二极管的输入信号来补充激光锁盒。
是否有一个既定的流程来优化 PID 参数？
由于不同实验所需的 PID 参数可能有很大差异，因此没有一个标准的 PID 参数优化流程。一些算法过程，如应用于自动化运动控制的 Ziegler Nichols 方法。通常，在有噪声的频率（通常是低频）下，最好将增益设置得尽可能高，而在感应噪声占主导地位的频率（通常是较高频率）下，最好将增益设置得尽可能低。然后，单位增益将处于中间频率，此时我们需要仔细处理系统的稳定性问题。如果您需要帮助以优化 Moku PID 控制器，请查看我们的 知识库.
如果边带落在光学谐振腔的线宽内会发生什么情况？ PDH 还能工作吗？
在 PDH 锁定期间，具有载波频率的激光束 ω0 通常由 EOM 进行相位调制，产生频率为 ω0 ± Ω 的边带。 光学谐振腔本身具有自己的线宽，定义为谐振腔谐振模式的全宽半峰 （FWHM） 值， 看.
确实可以使用比谐振腔带宽慢的调制频率来锁定激光器（即， Ω.<<Δω）这种技术有时被称为 抖动 锁频，因为激光频率本质上是在谐振腔内进行绝热扫描。图 3 显示了典型的抖动锁频误差信号的结果。虽然这种技术仍然会产生可用于激光锁频的非对称误差信号，但它是以牺牲速度为代价。如上所述，调制频率必须很慢，这也限制了 PID 控制器对误差信号的响应速度。
为了使用线宽窄的谐振腔实现最佳控制，最好以远高于谐振腔线宽的速率来调制激光频率， Ω.>>Δω. 如图 3 所示，误差信号在零附近具有极陡峭的线性表现，这意味着 PID 控制器可以对任何激光频率的漂移做出更快的响应动作。
图 3. PDH 误差信号产生时，边带位于谐振腔线宽内部（顶部）和外部（底部）。当谐振腔线宽远小于调制频率时，在零交叉点附近会产生陡峭的斜率，从而实现精准、快速的 PID 控制。
您建议如何分析在输出信号/反馈信号中的噪声？
此 Moku 激光锁频/稳频器 提供并内置了 PID 控制器 用来输出快速和慢速反馈控制信号。有两种方法可以分析这些信号。第一种是使用内置的 示波器 通过选择激光锁频/稳频器配置界面上输出 A 通道和输出 B 通道附近的信号监测点。如果需要，使用示波器的数学通道执行 FFT 分析，如图 4 所示。这是一种在反馈控制信号输入到激光器之前对其进行检查的快速并有效的方法。
图 4. 在内置的示波器上查看快速和慢速 PID 反馈控制信号。数学通道被用来进行频域分析。
如果需要对反馈控制信号进行更严格的分析，可以使用 多仪器并行模式 并同时运行激光锁频/稳频器和 Moku 频谱分析仪。如图 5 所示，激光锁频/稳频器的输出也可以被连接到频谱分析仪的输入端口，这样您就可以一边调节反馈控制回路，同时监测频谱分析仪上显示的控制信号。
图 5. 激光锁频/稳频器和频谱分析仪的多仪器并行模式设置。激光锁频/稳频器的输出通道对应于快速和慢速 PID 反馈控制信号，它们被连接到 Moku 前面板上的数模转换（输出 1 和输出 2 端口）。同时信号被连接到频谱分析仪上进行频域上的监测。
是否有可能在 Moku 中进行编程并使用自定义的仪器功能？
如果你有兴趣在 Moku 设备上运行自定义功能，请阅读 自定义仪器。通过 Moku 云编译，您可以使用 VDHL 语言编写自己的 FPGA 代码并在我们的网站上进行编译。代码编译成功后，您可以下载 bitstream 并部署到您的设备上。您还可以找到我们的示例，包括 boxcar 平均器 配备 移动平均滤波器.
感谢您观看我们的网络研讨会。我们期待再次见到您！如需更多精彩演示，请查看我们的 网络研讨会页面 来点播观看。
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