供稿人： 伯努瓦·德波, 费塔赫·贝纳比德, 托马斯·比洛特，克莱门特·戈伊科切亚
结语
在XLIM研究所，气相光子和微波材料（GPPMM）小组的研究人员正在进行空芯光子晶体光纤（HC-PCF）领域的实验。 激光稳定 对他们的实验至关重要，这里他们展示了在 D 上进行的稳定化2 通过饱和吸收法获得的铷85蒸气的跃迁。Moku:Pro 配备 4 个模拟输入和输出接口以及多个可访问的软件定义仪器，是一款多功能工具，仅需一台设备即可实现这一目标。
挑战
为了观察铷亚多普勒透明度，光学和电气装置由商用铷 (Rb) 电池组成，充当饱和吸收光谱 (SAS) 模块，产生吸收信号。 780nm 左右的可调谐激光器在电光调制器 (EOM) 和波长计之间分配。 为了稳定激光器、控制 EOM 和测量艾伦方差，需要几种不同的仪器。
图 1. 上图：Moku:Pro 的光学设置，青色表示其电气连接。Moku:Pro 的输入在左侧，输出在右侧。下图：Moku:Pro 多仪器模式配置，包括波形发生器、激光锁盒和相位计。
解决方案
Moku:Pro 的 多仪器并行模式 允许 XLIM 研究人员同时配置多台仪器，在这种情况下充当 波形发生器， a 锁相放大器，双 PID 控制器和数据采集 艾伦方差该系统利用波形发生器、激光锁定盒和相位计实现。波形发生器通过 Moku:Pro 的第一个输出（此处由于法语设置而命名为“Sort 1”）调制探测激光束的光频，该输出连接至电光调制器。该函数发生器还连接至激光锁定盒的第二个输入，该输入集成了锁相放大器和 PID 控制器，用于信号混合、解调和激光锁定。激光锁定盒还连接至来自铷原子盒的探测光束的亚多普勒透射光电二极管信号（SAS 模块）（Moku:Pro 的第一个输入，“Ent 1”）。激光锁定盒的两个输出通道（A 和 B）将分别用于激光伺服控制（“Sort 2”）和扫描（“Sort 3”）。然后，相位计用作采集工具，用于监测锁定激光器的光电二极管直流信号，并测量艾伦方差，该方差代表了稳定质量。第一个使用的模块是波形发生器（如图 2 所示），用于以 500 kHz 的频率调制探测激光束。如有需要，可以在仪器的输出端 B（见图 1 底部）使用第二个波形发生器，该发生器可以产生与输出端 A 同相的信号。
图 2：波形发生器仪器界面在顶部显示生成的函数。 此处未使用底部生成器通道（紫色）。 激光锁盒参数如图 3 所示。输出和输入 A 和 B 都对应于图 1 中所示的参数。输入 A 对应于具有调频多普勒透明度的光电二极管信号，输入 B 对应于来自波形的调制信号发电机。
图 3：激光锁盒和用于信号监控的集成示波器的框图。 每个电子元件都可以通过在 iPad 屏幕上点击来设置。 选项卡（未显示）可用于扫描参数以及外部振荡器。 首先，我们在图 4 中显示了解锁的激光直流信号，其测得的 RMS 约为 13 mV。为了锁定亚多普勒特性，我们利用 Moku:Pro 将激光扫描设置为 35 Hz、14 mV，通过激光锁定盒的输出 B（图 3 中的“Sort B”），该输出路由到输出 3 物理连接器（图 3 中的“Sort 1”）。扫描偏移量直接在二极管控制器上设置。我们在输入 B 上设置一个锁相环 (PLL)，并使用截止频率设置为 2 kHz 的 70 阶低通巴特沃斯滤波器解调信号。我们获得一个误差信号（图 3 中的红色曲线），我们利用该信号借助 Moku:Pro 上的“点击锁定”图标（图 3 中有注释）锁定激光。通过点击示波器上的红色圆圈即可设置锁定。
图 4：具有默认参数的 PID 快速控制器。 激光直流信号以红色显示，直接来自光电二极管。 然后，锁定信号通过快速 PID 控制器（图 3 中的输出 A 和图 3 中的物理连接器类别 1）发送到激光器的电流控制，并使用图 5 中所示的 PID 参数进行优化。
图 5：具有优化参数的 PID 快速控制器。 锁定的直流信号以红色表示，直接来自光电二极管。 我们设置了不同的参数，例如比例增益和积分器（图 5 上半部分）。如有需要，还可以使用双积分器、微分器以及用于积分和微分的饱和器。这些参数的优化是通过降低图 4 和图 5 下半部分测量的直流信号的均方根值来实现的。实际上，比例增益会逐渐增大，直到信号开始振荡，然后在振荡发生之前进行调整。对积分器也进行相同的操作，如有需要，还可以调整微分器频率。我们重复此循环，直到获得良好的性能，从而优化“短期”锁定。优化完成后，激光器锁定，我们就可以通过测量其艾伦偏差来表征激光器的稳定性。为了测量艾伦方差，我们可以直接使用相位计观察稳定激光器的艾伦方差。这些测量结果可以保存到 iPad、U盘或云端进行分析。然而，保存的数据对应于原始信号的频率、相位和幅度，因此需要提取艾伦方差。这也可以使用Python代码来实现，如本应用笔记中所述。 使用 Moku:Lab 的相位计进行艾伦偏差的指南.
结果与结论
Moku:Pro 具有用户友好的界面，是一个多功能工具，可以让我们测量、分析和使用信号。
将波形发生器、激光锁箱和相位计仪器与多仪器模式相结合，使我们能够在不使用 Moku:Pro 等其他设备的情况下，解析 780 nm 左右铷蒸气的亚多普勒光谱，然后将激光频率锁定在 D2 Rb 转变。
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