モク レーザーロックボックス この製品は、Pound-Drever-Hallレーザーロック技術の複数の重要な電子部品を1つの装置に統合し、性能を損なうことなくレーザーロックプロセスをこれまで以上に容易にします。このアプリケーションノートでは、PDHロックの原理、Moku Laser Lock Boxを使用した高フィネス共振器へのレーザーのロック手順の概要、およびこのロック技術を使用した場合のレーザー周波数安定性の劇的な改善を示す結果について説明します。詳細については、 Pound-Drever-Hall (PDH) レーザー ロックの究極ガイドの電子書籍をダウンロードしてください。
PDH法
標準的な実験室環境では、周囲温度、注入電流、量子ゆらぎなど、さまざまな要因によってレーザーの周波数が変動する可能性があります。そのため、重力波検出、原子物理学、分子微量ガス検出など、レーザーを用いて精密な測定を行う用途では、レーザー周波数の安定化が不可欠なプロセスとなります。
レーザー周波数安定化を行う方法は複数ありますが、最も一般的な方法の1つは、安定した機械的セットアップでレーザー周波数を光学基準共振器にロックすることです。 パウンド・ドレーヴァー・ホール（PDH） この方法はこれらの方法の一つです。反射レーザー強度の微分を誤差信号として用い、レーザー周波数を空洞共振に同期させ、周波数変動を抑制します。 [1].
レーザーを共振器にロックする場合、レーザー光は、その波長の整数倍が共振器の往復距離と一致する場合にのみ共振器を通過できます。これは、共振器からの反射光が最小となる点でもあります。図1は、共振器の共振周波数に対するレーザーの周波数と反射光強度との相関関係を示しています。
しかし、反射光強度は共振周波数を中心として対称であり、共振周波数の上下両方で正の値をとるため、この信号をフィードバックシステムのエラー信号として使用することは困難です。レーザー周波数が共振周波数からずれると、レーザー周波数を上げるべきか下げるべきかを判断することができなくなります。ただし、反射信号強度が最小値をとるため、反射光の微分値は共振周波数の両側で異なる極性のゼロクロス点を持ちます。周波数が共振周波数より低い場合は負の値、高い場合は正の値となります。反射強度の微分値は、レーザー周波数に小さな変調を加えることで測定できます。これはディザリングとも呼ばれます。PDH技術では、このレーザー周波数に対する反射強度の微分値をエラー信号として利用し、レーザー周波数を動的に調整して共振周波数に合わせます。
図2は、PDHレーザーロックシステムのコンポーネントとレイアウトを示しています。ここでは、周波数は局部発振器によって駆動される電気光学変調器（EOM）によって変調されます。光検出器が反射光を捕捉し、その出力はミキサーを介して局部発振器で復調されます。その後、混合信号はローパスフィルタに通され、変調周波数の第二高調波からDC（超低周波）成分が分離されます。このDC成分はエラー信号として使用され、システムが共振からどれだけ離れているかだけでなく、共振を回復するためにどの方向に調整する必要があるかを明確に示します。その後、エラー信号はサーボアンプまたは比例積分微分（PID）コントローラに送られ、レーザーのチューニングポートに送られて、レーザーがキャビティにロックされます。
Moku レーザー ロック ボックス
従来のPDHレーザーロックプロセスでは、信号発生器、ミキサー、ローパスフィルター、サーボシステム、オシロスコープなど、専用のカスタムメイドの電子機器が複数必要となる。 レーザーロックボックス PDHの電子機器のほとんどをコンパクトで使いやすい機器に統合し、高精度のレーザー周波数ロックを提供します。 波形発生器 レーザー周波数をスキャンして変調するためのミキサーとローパスフィルター、エラー信号を復調するためのミキサーとローパスフィルター、および2つのカスケード接続された PIDコントローラー レーザーのアクチュエータ（ピエゾや温度コントローラなど）に高速および低速の制御信号を送り返す。内蔵の オシロスコープユーザーは反射光のスキャン応答を監視し、PDH 信号をリアルタイムで表示することもできます (図 3)。
PDHレーザーロックの実験装置
この実験では、レーザーを高フィネスキャビティにロックするためにMoku:Proレーザーロックボックスを使用しました。図4はPDHレーザー安定化システムを示しています。 Moku:Pro.
Coherent Mephisto Sファイバーレーザー（1064 nm）を電気光学変調器（EOM）で変調し、10 cmの線形平凹キャビティ（フィネス100,000）に入射させました。キャビティからの透過光と反射光を検出するために、1つの光検出器（PD）を設置しました。PDで検出された信号は、反射信号（ミキサー入力）としてMoku:Proの入力2に、透過信号（モニター）として入力1に入力されました。高速PIDの出力2はレーザーのピエゾに直接接続され、レーザー周波数を制御しました。低速PIDの出力XNUMXはレーザーの温度制御に接続されました。
図5はレーザーロックボックスの構成と設定を示しています。500mVの振幅を持つ局部発振器（LO）は、pp 約 2.885 MHz の LO 信号は、Moku:Pro Laser Lock Box 波形発生器で生成されました。次に、LO 信号は Moku 出力 3 から EOM を駆動するために送られました。同じ LO 信号は、デジタル実装ミキサーと、コーナー周波数 300.0 kHz のデジタル 4 次バターワース低域通過フィルタを使用して、キャビティ反射の復調にも使用されました。Moku:Pro Laser Lock Box の統合スキャン機能を使用して、スキャン発生器が PZT アクチュエータ (出力 1) に 10 Hz の周波数の信号を出力するように設定しました。
スキャン信号を有効にすると、内蔵オシロスコープのプローブポイントをフィルタの出力に設定して、PDH エラー信号を表示できます。次に、温度コントローラに適用するオフセットを調整し、共振をスキャンの中央に合わせました。エラー信号をさらに最適化するために、エラー信号が対称になり、ロック用の共振付近の線形範囲が最大になるまで、ローカルオシレータの位相も調整しました。この例では、約 113.6 度の位相シフトで最適なエラー信号が得られました。高速 PID コントローラは、比例ゲインを -27 dB、積分器クロスオーバー周波数を 7.5 kHz、ダブル積分器クロスオーバー周波数を 70.60 Hz に設定しました。低速 PID コントローラは、積分器クロスオーバー周波数を 4.883 mHz に設定しました。
PDHロックを確立するために、スキャン振幅を徐々に減少させ、高速PIDコントローラと低速PIDコントローラを順番に有効化しました。高度な機能として、ロックステージを設定するか、ロックアシスト機能を使用することで、ロックを確立することも可能です。この機能では、復調されたエラー信号のゼロクロスをロックポイントとして選択することができ、これにより高速PIDコントローラが自動的に有効化され、レーザー周波数がキャビティ共振にロックされます。その後、積分器の飽和を無効化することで、レーザー周波数をキャビティのDC周波数に合わせました。
結果と考察
図 6 に示すように、内蔵のオシロスコープのプローブ ポイントを使用して、エラー信号の RMS を測定し、全体的なループ ゲインを最適化できます。ゲインを増やすと、エラー信号の RMS が最小限に抑えられる可能性がありますが、ゲインが大きすぎると発振が発生する可能性があり、ゲインが小さすぎると、レーザー周波数の摂動が十分に抑制されないままになります。
Moku:Proのマルチインストゥルメントモード機能を使用して閉ループ応答を検証することで、ループ性能をさらに最適化できます。Moku:Proは、周波数応答アナライザを使用して、加算プリアンプを介してMoku:Pro出力1とレーザーピエゾの間に掃引正弦波外乱を注入し、ループ内で注入された外乱の抑制効果を測定することができます。周波数領域最適化の詳細については、こちらをご覧ください。 アプリノート.
最適化された制御ループの性能を、1つの共振器と2つのレーザーを用いたテストで検証しました。2つ目のレーザーは、1つ目のレーザーのロック周波数より1つ上の自由スペクトル範囲（FSR）の共振器に、2つ目の同一のMoku:Proレーザーロックボックスを用いてロックしました。2つの独立した周波数でロックすることで、2つのレーザーを、共通の共振器ノイズは同一だが電子ノイズとレーザー周波数ノイズはそれぞれ独立している状態で比較しました。
これら2つのロックされたレーザー間の残留周波数変動は、キャビティスペーサーノイズ、キャビティコーティングの熱ノイズ、および実験室環境からの一般的な振動とは無関係でした。制御ループとセンサーのみに起因するこのノイズは、両方のレーザー経路からの光を高速フォトディテクタに合成し、安定したGHz関数発生器で混合ダウンし、Moku:Labを使用して測定しました。 位相計 周波数偏差を追跡するための機器。図7は、Moku:Proを使用してレーザーを共振器にロックする前後の周波数ノイズを比較したものです。システム安定性は0.001 Hzで約10桁向上しました。周波数ノイズもXNUMXに減少しました。-2Hz/√Hz。
質問・コメント
連絡先： support@liquidinstruments.com.
謝辞
実験の詳細、Moku:Pro の使用方法の説明、およびこのアプリ ノートに関するフィードバックを提供してくれた Andrew Wade、Kirk McKenzie、Emily Rees、Namisha Chabbra、Jue Zhang、およびオーストラリア国立大学に感謝します。
参考情報
[1] P. ドレバー ら, 光共振器を用いたレーザー位相および周波数の安定化、vol. 31、Appl. Phys.B.、I983、pp. 97-105。
[2] ED Black、「Pound–Drever–Hallレーザー周波数安定化入門」、第69巻、米国物理教師協会、2000年、79-87頁。[3] Z. Chang Liu ら, 遠方オフ共鳴レーザー周波数安定化技術、応用科学、2020年。