激光鎖定系統(tǒng)廣泛用于控制并將激光器的頻率與光學(xué)頻率參考匹配（這通常是光學(xué)參考腔或原子躍遷）。這種系統(tǒng)對于高分辨率干涉測量、光譜系統(tǒng)，以及時間和頻率標準至關(guān)重要。

通過強制激光器和參考頻率相等來鎖定激光器一般兩種情況：（1）鎖定系統(tǒng)控制激光器頻率且使其等于參考頻率，這被稱為頻率穩(wěn)定;（2）鎖定系統(tǒng)迫使參考頻率跟隨激光頻率，這被稱為頻率跟蹤。無論是用于頻率穩(wěn)定還是頻率跟蹤，澳大利亞Liquid Instruments公司的Moku都可以實現(xiàn)高性能，高增益的激光鎖定系統(tǒng)。

Moku提供先進的設(shè)置、采集和診斷功能，使設(shè)置和表征激光鎖定系統(tǒng)變得更加容易和快捷。此外，Moku Laserlock鎖頻功能可用于大多數(shù)激光器和頻率參考比如PDH鎖定（Pound-Drever Hall, PDH）、外差偏移鎖定（Heterodyne offset phase locking）、RF鎖定（RF locking）和抖動鎖定（Dither locking）以及穩(wěn)定連續(xù)波激光器的頻率。

激光鎖定和PDH技術(shù)的基礎(chǔ)知識

任何激光鎖定技術(shù)的核心都是測量并提供激光與頻率參考之間差異或誤差的測量。通常稱為“誤差信號”，該信號的質(zhì)量Z終決定了整個鎖定系統(tǒng)的精度和準確性?？梢哉f，獲得誤差信號的Z精確方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技術(shù)。已經(jīng)證明，在反饋系統(tǒng)中使用PDH誤差信號可以非常精確地測量激光器或腔體的變化，從而將其用于吸收光譜和引力波檢測等無數(shù)應(yīng)用中。PDH誤差信號技術(shù)有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢，例如：
1、該技術(shù)可以精確地測量并提供了激光和共振腔之間的相位和頻率差異
2、該傳感技術(shù)提供零交叉誤差信號，當誤差信號為零時代表其零頻率差為零。
3、假設(shè)所有信號處理都是以數(shù)字方式完成的，它避免了模擬電子和解調(diào)電路中產(chǎn)生的低頻噪聲。

這些優(yōu)點難免需要付出一些代價。為了獲得頻率/相位的這種精確測量，PDH技術(shù)應(yīng)用射頻調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。這大大增加了信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，也使光學(xué)系統(tǒng)變得復(fù)雜。但是，一旦理解，與PDH系統(tǒng)的優(yōu)點相比，這些復(fù)雜性是微不足道的。

使用Moku：激光鎖頻/穩(wěn)頻儀器實現(xiàn)激光鎖定

Moku：激光鎖頻/穩(wěn)頻大大簡化了通常操作和使用PDH鎖定系統(tǒng)的復(fù)雜程度。圖1示出了PDH激光鎖定系統(tǒng)的示例。該裝置使用固態(tài)Nd：YAG NPRO激光器，其已經(jīng)與一個中等精細度光學(xué)腔準直并模式匹配。隨后使用Moku：激光鎖頻/穩(wěn)頻產(chǎn)生將激光鎖定到腔的諧振頻率所需的所有信號。

 

圖1：PDH激光鎖定系統(tǒng)的示例

鎖定激光器包括：
1、設(shè)置系統(tǒng)（包括準直）。
2、調(diào)制激光
3、尋找共振點
4、獲得誤差信號
5、打開反饋
6、優(yōu)化鎖定

系統(tǒng)設(shè)置

為了使系統(tǒng)Z佳地工作，需要確保激光器的出射光與腔的光軸良好準直，并且激光器的模式與諧振器的空間模式很好地匹配。重要的是要注意，未準直或模式不匹配會導(dǎo)致鎖定性能降低，或者在極端情況下，系統(tǒng)根本不工作。Z后，使用兩個光電探測器監(jiān)測系統(tǒng)；一個光電探測器接收從腔體反射回來的光，另一個接收穿過腔體的光。

連接Moku：Lab輸出端

為了應(yīng)用PDH成功鎖腔，需要生成幾個信號。
1、調(diào)制信號：發(fā)送到EOM以產(chǎn)生相位調(diào)制邊帶。
2、主要反饋信號：在這種情況下反饋到激光器的PZT頻率控制器。為了驅(qū)動激光器的PZT，需要使用高壓放大器（HV amp）。
3、次反饋信號（可選）：可通過溫度來調(diào)節(jié)激光頻率，溫度反饋的動態(tài)調(diào)控范圍較廣，但速度較慢。
在這種情況下，調(diào)制信號和次反饋信號在Moku：Lab的輸出2上生成，并使用Bias-Tee分離。


連接Moku：Lab輸入端

光電探測器接收到的反射信號通常包含了產(chǎn)生反饋信號所需的所有信息，將其與輸入1連接并作為主要的信號輸入通道。第二輸入通道可以用來監(jiān)控任何輔助信號。
1、輸入1用作大多數(shù)信號處理的主要通道。在該系統(tǒng)中，將光電探測器AC輸出連接到Moku：Laser Lock Box的輸入1。
2、將透射光信號的直流分量連接到輸入2，盡管不是必需的，但其有助于識別和優(yōu)化鎖定系統(tǒng)中的特征。

調(diào)制激光

在這種情況下的相位調(diào)制是通過向EOM施加正弦電壓信號來實現(xiàn)的。調(diào)制信號可以輔助振蕩器功能來產(chǎn)生。對于該系統(tǒng)，我們將使用10 MHz調(diào)制。
1、將輔助振蕩器設(shè)置為10 MHz。
2、設(shè)置輔助振蕩器的幅度。務(wù)必選擇EOM規(guī)格范圍內(nèi)的電壓。在這種情況下，我們將幅度設(shè)置為100 mV。
3、選擇Aux Oscillator輸出。在此示例中，將Aux示波器設(shè)置為輸出2。
4、打開輸出。

掃描激光頻率并找到共振頻率

掃描激光頻率有助于表征和優(yōu)化鎖定信號。
Moku：Laser Lock Box附帶掃描功能。在此示例中，我們將對掃描發(fā)生器進行設(shè)置，使其輸出一個信號并通過輸出1傳遞給PZT傳動裝置。步驟如下：
1、將“掃描”設(shè)置為三角波
2、將幅度設(shè)置為500 mV
3、選擇掃描信號的輸出端，在此示例中為輸出1
4、打開輸出

 

圖2：輔助振蕩器用于驅(qū)動EOM并創(chuàng)建相位調(diào)制邊帶。

使系統(tǒng)共振信號居中

為了使激光鎖定更順利，我們通常可以在掃描中將共振信號調(diào)整到掃描信號的ZY，后續(xù)可以通過調(diào)整溫度控制器的偏移量來實現(xiàn)。
o    調(diào)整溫度偏移，直到掃描ZX共振頻率出現(xiàn)在掃描信號的零值附近。


獲取并優(yōu)化誤差信號

為了獲得誤差信號，從光電探測器接收的RF信號需要用本地振蕩器解調(diào)。選擇本地振蕩器的正確相位對于優(yōu)化誤差信號至關(guān)重要。如下：
o    在觀察誤差信號的同時調(diào)整本地振蕩器的相位。
 

圖3：通道A和B分別顯示腔的透射響應(yīng)和經(jīng)過恢復(fù)的誤差信號。

手動鎖定激光

1、調(diào)整共振信號至掃描的ZY.
2、設(shè)置高頻PID控制器。（此處可以僅先設(shè)置積分器頻率在~10 Hz，因為后續(xù)可以對響應(yīng)進一步優(yōu)化）
3、打開PID控制器
4、緩慢降低掃描幅度，直到激光功率達到Z大值。
5、關(guān)閉掃描

使用Tap來鎖定

1、調(diào)整共振信號至掃描的ZY。
2、設(shè)置高頻PID控制器。（此處可以僅先設(shè)置積分器頻率在~10 Hz，因為后續(xù)可以對響應(yīng)進一步優(yōu)化）
3、選擇Tap為鎖定模式
4、選擇需要鎖定共振點
 注意：確保反饋的方向正確。

調(diào)整和優(yōu)化鎖定

一旦系統(tǒng)鎖定，我們可以根據(jù)需要優(yōu)化鎖定。這通常意味著調(diào)整PID控制器的增益。
要執(zhí)行此操作，請打開PID控制器菜單：
1、稍微增加比例增益，直到系統(tǒng)開始振蕩。
2、稍微降低比例增益，直到系統(tǒng)停止振蕩
3、對積分器和微分器重復(fù)此操作（如有必要）
 

圖4：當激光器鎖定時，透射光的功率（通道A）將處于其恒定的Z大值。誤差信號（通道B）也將保持為零。

除了激光鎖頻/穩(wěn)頻，Moku:Lab還集成了示波器、頻譜分析儀、波形發(fā)生器、相位表、數(shù)據(jù)記錄器、鎖相放大器、PID控制器、波特分析儀、數(shù)字濾

波器、任意波形發(fā)生器、FIR濾波器生成器十二個專業(yè)儀器。

穩(wěn)定的激光頻率對專業(yè)測量或者時間/頻率標準領(lǐng)域中的許多系統(tǒng)都至關(guān)重要。Moku:Lab激光鎖頻/穩(wěn)頻是一個高性能激光鎖定系統(tǒng)，具備鎖定診斷和一些自動化程序，可以使用各種激光鎖定技術(shù)鎖定激光，該系統(tǒng)可用于大多數(shù)激光器和頻率參考。

主要特色
（1）本機振蕩器選項：內(nèi)部LO、PLL LO和外部LO
（2）獨立快速PID控制器
（3）獨立慢速PID控制器
（4）掃描發(fā)生器波形：鋸齒波和三角波
（5）掃描頻率：1 mHz – 14 MHz
（6）可配置的濾波器類型：Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic、Gaussian、Bessel、Legendre。
（7）監(jiān)測信號選項：輸入、輸出、誤差信號、解調(diào)信號、掃描信號等
（8）點擊即可鎖定
（9）AC/DC輸入耦合
（10）50 Ω/1 MΩ輸入阻抗
 
主要特點
（1）信號處理框圖
（2）使用內(nèi)部和外部本機振蕩器解調(diào)信號
（3）鋸齒波或三角波共振掃描
（4）使用內(nèi)置示波器觀測在信號處理過程中不同位置的信號
（5）使用“點擊-鎖定”功能快速鎖定到誤差信號的任一零交叉點。
（6）高達四階低通IIR無限沖激響應(yīng)濾波器解調(diào)信號
（7）可單獨配置的高帶寬、低帶寬PID控制器用于高頻、低頻反饋
（8）使用“范圍內(nèi)掃描鎖定”功能觀測與掃描電壓有關(guān)的信號

典型參數(shù)
（1）解調(diào)高達200 MHz的頻率，頻率分辨率3.55 μHz
（2）生成高達200 MHz的解調(diào)信號
（3）掃描高達1 MHz鋸齒波或三角波共振信號
（4）以31.25 MSa/s采樣率生成控制信號
（5）以高達1 MSa/s持續(xù)采集數(shù)據(jù)
（6）AC / DC輸入耦合
（7）50 Ω / 1 MΩ輸入阻抗
（8）可在2.081 kHz - 28.13 MHz之間調(diào)整低通濾波器截止頻率

相關(guān)參考介紹

Moku:Lab多功能測量儀之激光鎖頻/穩(wěn)頻功能介紹，請點擊 這里

Moku:Lab多功能測量儀介紹，請點擊 這里

Moku Laserlock激光穩(wěn)頻儀功能介紹英文版，請點擊 這里