Moku：Pro/Lab/Go的激光穩頻一(yi)體化解決方案

Pound-Drever-Hall（PDH）技(ji)術是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)主動鎖(suo)頻(pin)技(ji)術，是目前激光(guang)(guang)(guang)穩(wen)頻(pin)系(xi)(xi)統中(zhong)性(xing)能(neng)手段(duan)之一(yi)(yi)(yi)，由 R.V. Pound，Ronald Drever 和 John L在19831年提出(chu)的(de)。利用(yong)Fabry-Perot（F-P）腔(qiang)(qiang)(qiang)穩(wen)頻(pin)的(de)激光(guang)(guang)(guang)系(xi)(xi)統是最(zui)常(chang)見的(de)一(yi)(yi)(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)穩(wen)頻(pin)方(fang)法。當激光(guang)(guang)(guang)被射(she)(she)(she)入一(yi)(yi)(yi)個F-P腔(qiang)(qiang)(qiang)中(zhong)時，它會(hui)被反射(she)(she)(she)、透射(she)(she)(she)或吸收，腔(qiang)(qiang)(qiang)的(de)長(chang)(chang)度(du)越接近(jin)激光(guang)(guang)(guang)器的(de)精確波(bo)長(chang)(chang)的(de)一(yi)(yi)(yi)半，激光(guang)(guang)(guang)器的(de)能(neng)量(liang)就會(hui)被傳(chuan)輸的(de)越遠。不幸的(de)是，激光(guang)(guang)(guang)的(de)頻(pin)率(lv)和腔(qiang)(qiang)(qiang)長(chang)(chang)的(de)連續變化(hua)取決于一(yi)(yi)(yi)系(xi)(xi)列的(de)因(yin)素，如環境溫度(du)、注入電流和量(liang)子波(bo)動。PDH鎖(suo)定利用(yong)從諧振(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)反射(she)(she)(she)出(chu)來的(de)光(guang)(guang)(guang)來產生一(yi)(yi)(yi)個誤差信號，來對諧振(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)的(de)長(chang)(chang)度(du)或激光(guang)(guang)(guang)器的(de)頻(pin)率(lv)進行微調，從而完成腔(qiang)(qiang)(qiang)長(chang)(chang)和激光(guang)(guang)(guang)頻(pin)率(lv)的(de)某種(zhong)(zhong)(zhong)匹配，以達到(dao)最(zui)大(da)限度(du)地實現遠距(ju)離傳(chuan)輸。

根據框圖簡(jian)單說一(yi)下PDH技術，激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)輸出頻(pin)(pin)率(lv)為ω的(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)，然后經過(guo)EOM晶體（electric-optical modulator）電(dian)(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)調(diao)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，對(dui)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)場(chang)進(jin)行射頻(pin)(pin)電(dian)(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)相(xiang)位調(diao)制(zhi)(zhi)，然后將調(diao)制(zhi)(zhi)后的(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號(hao)經過(guo)偏振分(fen)(fen)束棱鏡（PBS）與四分(fen)(fen)之一(yi)波片（λ/4）進(jin)入光(guang)(guang)(guang)(guang)學腔，然后通過(guo)反(fan)(fan)射到(dao)(dao)達光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)探測器(qi)(qi)，偏振分(fen)(fen)束棱鏡（PBS）與四分(fen)(fen)之一(yi)波片（λ/4）的(de)(de)(de)(de)作用就(jiu)是讓腔反(fan)(fan)射光(guang)(guang)(guang)(guang)進(jin)入探測器(qi)(qi)。然后對(dui)反(fan)(fan)射光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號(hao)進(jin)行相(xiang)位解調(diao)，得(de)到(dao)(dao)反(fan)(fan)射光(guang)(guang)(guang)(guang)中的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)失諧(xie)信(xin)息，產生誤差信(xin)號(hao)，然后通過(guo)低通濾(lv)波器(qi)(qi)和PID（比例積(ji)分(fen)(fen)電(dian)(dian)路(lu)）處理后，反(fan)(fan)饋到(dao)(dao)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)陶瓷或者聲光(guang)(guang)(guang)(guang)調(diao)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)等(deng)其(qi)他響(xiang)應器(qi)(qi)件，進(jin)行頻(pin)(pin)率(lv)補償，最(zui)終實現(xian)(xian)將普通激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)鎖(suo)定在超穩(wen)光(guang)(guang)(guang)(guang)學腔上(shang)。關于PDH技術的(de)(de)(de)(de)理論細節可以在一(yi)些綜(zong)述論文和學位論文中找(zhao)到(dao)(dao)。為了(le)實現(xian)(xian)PDH鎖(suo)定，需要一(yi)些專用的(de)(de)(de)(de)和定制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)儀器(qi)(qi)，包括信(xin)號(hao)發生器(qi)(qi)，混頻(pin)(pin)器(qi)(qi)和低通濾(lv)波器(qi)(qi)。Moku的(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)鎖(suo)盒集成了(le)全部的(de)(de)(de)(de)PDH電(dian)(dian)子(zi)儀器(qi)(qi)，在提供高精度的(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)穩(wen)頻(pin)(pin)功(gong)能上(shang)實現(xian)(xian)了(le)便捷易用。

圖1：PDH穩頻系(xi)統原(yuan)理圖

一． 實(shi)驗裝置

Moku的(de)(de)激光(guang)(guang)鎖盒集成了波形發生器、混頻(pin)器、低通(tong)(tong)濾波器和用于PDH鎖定(ding)的(de)(de)雙級(ji)聯(lian)PID控制器。通(tong)(tong)過調節激光(guang)(guang)腔的(de)(de)長(chang)度，可以(yi)監(jian)測反射光(guang)(guang)的(de)(de)振(zhen)幅，并(bing)在(zai)屏幕上實時顯示PDH信號。用戶只需輕(qing)(qing)輕(qing)(qing)一(yi)敲就可以(yi)將(jiang)激光(guang)(guang)鎖定(ding)在(zai)任何過零點。

圖2： 主用戶界面Moku:Lab激光鎖(suo)盒

在一(yi)個(ge)示例設置(zhi)中，Prometheus激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)（Innolight, 20NE）的(de)出(chu)(chu)射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)由電(dian)光(guang)(guang)調制器(qi)(qi)(qi)（EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1）調制，照(zhao)射(she)(she)(she)(she)到由三(san)鏡環形腔（168 mm，即1.78 GHz的(de)FSR），此腔體(ti)(ti)線寬為190 kHz。反射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)被輸(shu)入(ru)耦(ou)合(he)器(qi)(qi)(qi)即時反射(she)(she)(she)(she)捕獲。用(yong)兩個(ge)光(guang)(guang)電(dian)二極管（PD, Thorlabs, PDA05CF2）來檢(jian)測(ce)腔體(ti)(ti)的(de)透射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)和(he)反射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)。PD上檢(jian)測(ce)到的(de)信(xin)號被輸(shu)入(ru)到Moku:Lab的(de)輸(shu)入(ru)1（混(hun)頻(pin)(pin)器(qi)(qi)(qi)輸(shu)入(ru)，交(jiao)流(liu)耦(ou)合(he)電(dian)阻(zu)50 Ω）和(he)輸(shu)入(ru)2（監視器(qi)(qi)(qi)，直流(liu)耦(ou)合(he)電(dian)阻(zu)50 Ω）。利用(yong)Moku的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)鎖盒(he)波(bo)形發生器(qi)(qi)(qi)，在3.0 MHz的(de)頻(pin)(pin)率(lv)下產生了500 mVpp的(de)本振（LO）信(xin)號。然后LO信(xin)號從(cong)Moku：Lab的(de)輸(shu)出(chu)(chu)2輸(shu)出(chu)(chu)，通過(guo)偏置(zhi)器(qi)(qi)(qi) （miniccircuits, ZFBT-6G+）驅動EOM。用(yong)LO數(shu)字(zi)信(xin)號波(bo)形解調來自光(guang)(guang)學(xue)腔的(de)反射(she)(she)(she)(she)響應信(xin)號，這里(li)我們用(yong)到了數(shu)字(zi)混(hun)頻(pin)(pin)器(qi)(qi)(qi)和(he)角(jiao)頻(pin)(pin)300.0 kHz的(de)四階數(shu)字(zi)低通濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)(qi)。通過(guo)掃(sao)描空腔共振的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)頻(pin)(pin)率(lv)，調整(zheng)相位延(yan)遲，直到誤差信(xin)號峰-峰電(dian)壓（斜率(lv)）最大，從(cong)而調整(zheng)混(hun)頻(pin)(pin)器(qi)(qi)(qi)處LO信(xin)號的(de)相移。

快速(su)PID控制(zhi)器(qi)的積分(fen)(fen)器(qi)單位增益(yi)(yi)頻(pin)率（0 dB點）為(wei)(wei)(wei)5.8 kHz，初(chu)始積分(fen)(fen)器(qi)飽和角(jiao)為(wei)(wei)(wei)100 Hz。然(ran)后將快速(su)PID的輸出(chu)1直接連接到激光(guang)器(qi)的壓電(dian)陶瓷上(shang)來(lai)驅(qu)動(dong)激光(guang)頻(pin)率。在(zai)(zai)掃描模式下(xia)，該輸出(chu)也會產(chan)生斜坡信號來(lai)發現空腔諧振。低(di)頻(pin)PID控制(zhi)器(qi)的比例增益(yi)(yi)為(wei)(wei)(wei)-32.2 dB，積分(fen)(fen)器(qi)交叉頻(pin)率為(wei)(wei)(wei)200 mHz。Moku：Lab的輸出(chu)2出(chu)來(lai)后通過Bias-Tee分(fen)(fen)成了(le)兩路(lu)，一路(lu)到了(le)EOM，一路(lu)到了(le)激光(guang)的溫度控制(zhi)BNC接口端(duan)。在(zai)(zai)該激光(guang)溫度致動(dong)器(qi)上(shang)放(fang)置了(le)一個(ge)20dB的衰減(jian)（Minicircuits, HAT-20+），以降低(di)其(qi)靈敏度。

圖3：利(li)用Moku：Lab建立的PDH技術(shu)的實驗裝置(zhi)

二(er)． Moku系列(lie)產品參數

Moku：Pro Hardware

Specifications

Analog I/O

Analog inputs

Analog outputs

三． 結果和討論

通過(guo)監控傳輸的(de)(de)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)功(gong)率，并通過(guo)ccd相機（也可(ke)以使(shi)用(yong)紅外(wai)敏感觀察卡）查看(kan)傳輸過(guo)程(cheng)中的(de)(de)激光(guang)模式(shi)形狀(zhuang)，來驗證(zheng)激光(guang)對腔(qiang)和(he)TEM00模式(shi)的(de)(de)鎖(suo)定。這些監測(ce)信號的(de)(de)時域信息很(hen)容易在Moku:Lab的(de)(de)激光(guang)鎖(suo)盒功(gong)能內(nei)置的(de)(de)示波(bo)器(qi)中實時查看(kan)。

利(li)用內置(zhi)的(de)(de)(de)(de)示波器(qi)測(ce)量(liang)特性來(lai)捕捉誤(wu)差信號(hao)均(jun)方根RMS，對整個環(huan)路(lu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)益(yi)進(jin)(jin)行了(le)基本優(you)化。增(zeng)加增(zeng)益(yi)使(shi)誤(wu)差信號(hao)的(de)(de)(de)(de)均(jun)方根最小；太(tai)多的(de)(de)(de)(de)增(zeng)益(yi)會(hui)引起振蕩，太(tai)少(shao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)益(yi)意(yi)味著激(ji)(ji)光頻(pin)率擾動(dong)仍然沒(mei)有得到充分的(de)(de)(de)(de)抑制(zhi)(zhi)。進(jin)(jin)一步的(de)(de)(de)(de)環(huan)路(lu)性能改進(jin)(jin)可以通(tong)過頻(pin)域(yu)優(you)化來(lai)實現，這可以通(tong)過在(zai)Moku:Lab輸出1和(he)激(ji)(ji)光壓(ya)電之(zhi)間注入掃頻(pin)正弦(xian)擾動(dong)來(lai)實現，激(ji)(ji)光壓(ya)電使(shi)用了(le)求和(he)前置(zhi)放大器(qi)，并可以測(ce)量(liang)回(hui)路(lu)中(zhong)注入擾動(dong)的(de)(de)(de)(de)抑制(zhi)(zhi)。這樣的(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)可以進(jin)(jin)行使(shi)用第(di)二個Moku:Lab的(de)(de)(de)(de)功能：頻(pin)率響應分析儀。在(zai)這些高(gao)度(du)優(you)化的(de)(de)(de)(de)配置(zhi)中(zhong)，環(huan)路(lu)的(de)(de)(de)(de)單位增(zeng)益(yi)頻(pin)率應該優(you)化到30-60 kHz（高(gao)于(yu)這通(tong)常相對于(yu)激(ji)(ji)光的(de)(de)(de)(de)壓(ya)電響應速度(du)快很多）。

在(zai)一(yi)次測試中(zhong)，使(shi)用(yong)單腔(qiang)雙激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)測試驗證(zheng)了(le)控(kong)制(zhi)回(hui)路(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能。第(di)(di)二個(ge)(ge)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)被鎖(suo)(suo)(suo)定(ding)在(zai)腔(qiang)內一(yi)個(ge)(ge)自由(you)光(guang)(guang)(guang)譜范圍（FSR）上(shang)，第(di)(di)一(yi)個(ge)(ge)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)(de)(de)鎖(suo)(suo)(suo)與第(di)(di)二個(ge)(ge)具有相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)Moku:Lab激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)鎖(suo)(suo)(suo)頻(pin)(pin)(pin)(pin)設置。在(zai)兩個(ge)(ge)獨立頻(pin)(pin)(pin)(pin)率的(de)(de)(de)(de)鎖(suo)(suo)(suo)定(ding)下，比較了(le)兩種(zhong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)在(zai)相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)普通(tong)腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)噪(zao)聲：獨立的(de)(de)(de)(de)電子噪(zao)聲和Moku數字(zi)化(hua)噪(zao)聲。這兩種(zhong)鎖(suo)(suo)(suo)定(ding)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)之間的(de)(de)(de)(de)剩余頻(pin)(pin)(pin)(pin)率變化(hua)與腔(qiang)間隔噪(zao)聲、腔(qiang)涂層的(de)(de)(de)(de)熱噪(zao)聲和來自實驗室環(huan)境的(de)(de)(de)(de)常(chang)見(jian)振動無關，這種(zhong)噪(zao)聲僅由(you)控(kong)制(zhi)回(hui)路(lu)(lu)(lu)和傳感器(qi)產生，測量方(fang)法是(shi)將來自兩個(ge)(ge)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)路(lu)(lu)(lu)徑的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)結合到(dao)一(yi)個(ge)(ge)高速(su)光(guang)(guang)(guang)電探測器(qi)中(zhong)，與一(yi)個(ge)(ge)穩定(ding)的(de)(de)(de)(de)GHz函數發生器(qi)混(hun)頻(pin)(pin)(pin)(pin)，并使(shi)用(yong)第(di)(di)三個(ge)(ge)Moku:Lab儀器(qi)，一(yi)個(ge)(ge)相(xiang)位表，來跟蹤(zong)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率偏差。Moku:Lab相(xiang)位表通(tong)過產生相(xiang)對頻(pin)(pin)(pin)(pin)率噪(zao)聲的(de)(de)(de)(de)ASD來讀(du)出剩余頻(pin)(pin)(pin)(pin)率噪(zao)聲。我們得到(dao)了(le)在(zai)每個(ge)(ge)環(huan)路(lu)(lu)(lu)10 Hz的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下，控(kong)制(zhi)回(hui)路(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)殘(can)余噪(zao)聲是(shi)0.1 Hz/ Hz。腔(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)鎖(suo)(suo)(suo)模的(de)(de)(de)(de)真實絕(jue)對性(xing)能最(zui)終受到(dao)基(ji)頻(pin)(pin)(pin)(pin)熱涂層噪(zao)聲的(de)(de)(de)(de)限制(zhi)。

在以上(shang)的實(shi)驗論述中，我(wo)(wo)們(men)發現我(wo)(wo)們(men)需(xu)要三臺(tai)Moku：Lab來功(gong)能完成這個(ge)實(shi)驗。如果我(wo)(wo)們(men)使用Moku：Pro的多儀器并行(xing)功(gong)能，即可(ke)同時在一臺(tai)儀器上(shang)運行(xing)多個(ge)功(gong)能，更加節省(sheng)了(le)實(shi)驗室空間以及實(shi)驗的便捷性。

上海昊量光電作為Liquid Instruments公司在中國大陸地區主要的代理商，為您提供專業的選型以及技術服務。對于Moku：Pro/Lab/Go的激光穩頻一體(ti)化解決方(fang)案有興趣(qu)或(huo)者任何問題，都歡(huan)迎通(tong)過電(dian)話、電(dian)子郵件或(huo)者微(wei)信與(yu)我(wo)們(men)聯(lian)系。

如果您對Moku：Pro/Lab/Go的(de)激(ji)光(guang)穩頻一(yi)體(ti)化解(jie)決方(fang)案有(you)興趣，請訪問上海昊量(liang)光(guang)電的(de)網頁查看更多Moku系列產(chan)品

相(xiang)關文(wen)獻：

[1] Drever, R. W. P., Hall, J. L., Kowalski, F. V., Hough, J., Ford, G. M., Munley, A. J., & Ward, H. (1983). Laser phase

and frequency stabilization using an optical resonator. Applied Physics B, 31(2), 97-105.

[2] Nickerson, M. A review of Pound Drever Hall laser frequency locking. JILA, University of Colorado and Nist.

[3] Lally, E. M. (2006). A narrow-linewidth laser at 1550 nm using the Pound-Drever-Hall stabilization technique(DOCToral dissertation, Virginia Tech).

更(geng)多詳情(qing)請(qing)聯系昊(hao)量光電/歡迎直接聯系昊(hao)量光電

關(guan)于昊量光電：

上海(hai)昊量光(guang)電(dian)設(she)備有限公司是光(guang)電(dian)產品(pin)(pin)專業代理商，產品(pin)(pin)包括(kuo)各類激(ji)(ji)光(guang)器、光(guang)電(dian)調制器、光(guang)學(xue)測量設(she)備、光(guang)學(xue)元件(jian)等(deng)，涉及應用涵蓋(gai)了(le)材料加工、光(guang)通訊、生(sheng)物(wu)(wu)醫療、科學(xue)研究、國(guo)防(fang)、量子(zi)光(guang)學(xue)、生(sheng)物(wu)(wu)顯微、物(wu)(wu)聯傳感(gan)、激(ji)(ji)光(guang)制造等(deng)；可為客戶提(ti)供完整的設(she)備安裝，培(pei)訓(xun)，硬件(jian)開發，軟(ruan)件(jian)開發，系統集成等(deng)服務。

您可以通過我們(men)昊量光電(dian)的網站了解(jie)更多的產品信息，或直接咨詢。