【干货】Moku应用介绍 激光锁定

本文导读

用Moku仪器实现激光锁频/稳频

激光锁定系统广泛用于控制并将激光器的频率与光学频率参考匹配（这通常是光学参考腔或原子跃迁）。这种系统对于高分辨率干涉测量、光谱系统，时间和频率标准至关重要。

通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器允许两种情况：（1）锁定系统将激光器频率控制为等于参考频率，这被称为频率稳定;（2）锁定系统迫使参考频率跟随激光频率，这被称为频率跟踪。无论是用于频率稳定还是频率跟踪，Liquid Instruments的Moku都可以实现高性能，高增益的激光锁定系统。Moku提供先进的设置、采集和诊断功能，使设置和表征激光锁定系统变得更加容易和快捷。

1.激光锁定和PDH技术的基础知识

任何激光锁定技术的核心都是提供激光与频率参考之间差异或误差的测量。通常称为“误差信号”，该信号的质量最终决定了整个锁定系统的精度和准确性。可以说，获得误差信号的最精确方法之一是Pound-Drever-Hall（PDH）技术。在反馈系统中使用PDH误差信号已经证明可以非常精确地测量激光器或腔体的变化，从而将其用于吸收光谱和引力波检测等无数应用中。PDH误差信号技术有几个关键优势，例如：

1)该技术提供了激光和腔内共振之间的相位和频率差异的高精确测量。

2)该传感技术提供零交叉误差信号，其零频率差对应于零误差信号。

3)假设所有信号处理都是以数字方式完成的，它避免了模拟电子和解调电路中产生的低频噪声。

这些优点确实需要付出一些代价。为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH技术利用射频调制和解调技术。这大大增加了信号处理系统的复杂性，也使光学系统变得复杂。但是，一旦理解，与PDH系统的优点相比，这些复杂性是微不足道的。

2.使用Moku：激光锁盒实现激光锁定

Moku：激光锁盒大大简化了通常操作和使用PDH锁定系统的复杂程度。图1示出了PDH激光锁定系统的示例。该装置使用固态Nd：YAG NPRO激光器，其已经与精细腔准直并模式匹配。随后使用Moku：激光锁频/稳频产生将激光锁定到腔的谐振频率所需的所有信号。

图1：PDH激光锁定系统的示例

锁定激光器包括：

1)设置系统（包括准直）。

2)调制激光

3)寻找共振点

4)获得误差信号

5)打开反馈

6)优化锁定

3.系统设置

为了使系统最佳地工作，重要的是确保激光束与腔的光轴良好准直，并且激光器的模式与谐振器的空间模式很好地匹配。重要的是要注意，未准直或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本不工作。最后，使用两个光电探测器监测系统；一个光电探测器接收从腔体反射回来的光，另一个接收穿过腔体的光。

4.连接Moku：Lab输出端

为了产生成功的PDH锁定，需要生成几个信号。

1)调制信号：发送到EOM以产生相位调制边带。

2)主要反馈信号：在这种情况下反馈到激光器的PZT频率控制器。为了驱动激光器的PZT，使用高压放大器（HV amp）。

3)次反馈信号（可选）：可通过温度来调节激光频率，温度反馈的动态调控范围较广，但速度较慢。

在这种情况下，调制信号和次反馈信号在Moku：Lab的输出2上生成，并使用Bias-Tee分离。

5.连接Moku：Lab输入端

将光电探测器接收到的反射信号连接到输入1，通常包含获得反馈信号所需的所有信息，输入1时主要的信号输入通道。第二输入通道能够监控任何辅助信号。

1)输入1用作大多数信号处理的主要通道。在该系统中，光电探测器AC输出连接到Moku：Laser Lock Box的输入1。

2)传输信号的直流分量连接到输入2，尽管不是必需的，但直流信号有助于识别和优化锁定系统中的特征。

6.调制激光

在这种情况下的相位调制是通过向EOM施加正弦电压信号来实现的。

利用辅助振荡器功能可以产生调制信号。对于该系统，我们将使用10 MHz调制。

1)将辅助振荡器设置为10 MHz。

2)设置辅助振荡器的幅度。务必选择EOM规格范围内的电压。在这种情况下，我们将幅度设置为100 mV。

3)选择Aux Oscillator输出。在此示例中，将Aux示波器设置为输出2。

4)打开输出。

7.扫描激光频率并找到共振频率

扫描激光频率有助于表征和优化锁定信号。有助于对齐和识别，以及确保系统锁定范围。

Moku：Laser Lock Box附带扫描功能。在此示例中，我们将扫描发生器设置为向PZT执行器输出信号（输出1）。步骤如下：

1)将“扫描”设置为三角形

2)将幅度设置为500 mV

3)选择要将扫描信号发送到的输出。在此示例中，输出通道设置为输出1

4)打开输出

图2：辅助振荡器用于驱动EOM并创建相位调制边带。

8.使系统共振居中

为了使激光锁定的设置更简单，我们通常可以在扫描中将共振调整到显示区域中心，以便后续调整应用于温度控制器的偏移量。

调整温度偏移，直到扫描中心共振频率幅值为0。

9.获取并优化误差信号

为了获得误差信号，从光电探测器接收的RF信号需要用本地振荡器解调。选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。步骤如下：

在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。 

图3：通道A和B分别显示腔的传输响应和从腔恢复的误差信号。

10.锁定激光

手动锁定激光

1)使扫描中的共振居中.

2)设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为响应还可以在之后优化）

3)打开PID控制器

4)缓慢降低扫描幅度，直到激光功率达到最大值。

5)关闭扫描

11.使用Tap来锁定

1)使扫描中的共振居中。

2)设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为还响应可以在之后优化）

3)选择Tap为锁定模式

4)选择需要锁定共振点

注意：确保反馈的方向正确。

12.调整和优化锁定

一旦系统锁定，我们可以根据需要优化锁定。这通常意味着调整PID控制器的增益。

要执行此操作，请打开PID控制器菜单：

1)稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。

2)稍微降低比例增益，直到系统停止振荡

3)对积分器和微分器重复此操作（如有必要）

图4：当激光器锁定时，传输功率（通道A）将处于其恒定的最大值。误差信号（通道B）也将保持为零。