实验名称：光学谐振腔的自动重锁

　　测试设备：功率放大器、信号发生器、STEMlab板、压电陶瓷等。

　　图：STEMlab开发板

　　实验过程：

　　实验中用来测试自动重锁功能的模式清洁器基本参数如表1所示，将任意信号发生器输出的三角波信号频率设为42Hz，高压放大器偏置设为178/180，调整光路中的模式匹配透镜使透射峰峰值达到最高点，这时高阶模会被最大程度地抑制，在腔内产生共振的只有基模。

　　表1：模式清洁器基本参数

　　图2：扫描模式下的误差信号和透射信号

　　如图2中所示，实验获得的误差信号在中心点左右斜率较大，代表其具有较高的灵敏度，是可以用于反馈控制的合格PDH误差信号。透射信号的最高峰对应着误差信号斜率最大处，此时误差信号在零点左右波动，光学谐振腔与参考激光频率最理想的共振状态就是在该点处实现锁定。找到透射信号的最佳模式后就可以关闭任意信号发生器，将误差信号送入模糊PID控制器，模糊PID控制器输出信号经DAC转换和高压放大器放大后控制光学谐振腔腔长变换。此时伺服反馈控制回路已经形成，控制信号和腔长互相制约，系统进入锁定模式。图3展示的是锁定模式下利用FPGA内部集成的示波器采集到的光学谐振腔的直流透射信号以及此时的误差信号。

　　图3：锁定模式下的误差信号和透射信号

　　光学谐振腔的重锁机制是通过计算机终端的程序使PDH锁腔系统根据触发条件在扫描模式和锁定模式之间自动切换来实现的，完整的锁腔系统模型图如图4所示。

　　图4：自动重锁系统框图

　　实验结果：

　　连接STELlab板、光学谐振腔和光电探测器等元器件并使用PDH技术将光学谐振腔锁定到参考频率，系统进入到了锁定模式，此时开始运行重锁程序，重锁程序会在运行期间循环判断此时光电探测器采集到的透射信号和FPGA积分器值。为了验证自动重锁功能，在锁定模式下人为手动遮挡入射光束使光学谐振腔失锁，光电探测器采集到的直流监视透射信号从原本的锁定位置掉到了地线。图5是系统从锁定到失锁再到重新锁定的过程，光学谐振腔在0.9s时失锁，在3s时又重新锁定。

　　图5：重锁过程中的直流透射信号

　　可以看到，通过挡住注入信号光场2秒的实际测试，光学谐振腔能够成功自动实现从失锁状态重新回到锁定模式，且锁定位置与失锁前几乎相同，无需人工操作。经过多次实验测试，系统完成这个过程所需的时间通常不超过2秒，满足一般实验时的基本需求。

　　在实验中使用FPGA代替传统模拟电路器件有效提升了伺服系统中各个环节的自动化程度，为实验人员省去了一些手动调节的重复工作，且在成本和占用空间方面也有很大的优势。但由于数字电路本身较大的电子学噪声、输出限幅和分辨率有限等因素，其对光学谐振腔锁定的控制精度有时仍然不及模拟电路，在锁定大部分精细度较低的谐振腔时可以使用FPGA来完成，高精细度谐振腔的锁定使用模拟伺服电路则更为合适。

　　功率放大器推荐：ATA-7030

　　图：ATA-7030高压放大器指标参数

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