寄稿者: Benoît Debord、Fetah Benabid、Thomas Billotte、Clément Goïcoechéa
まとめ
XLIM Research Instituteでは、気相フォトニックおよびマイクロ波材料 (GPPMM) グループの研究者が中空コア フォトニック結晶ファイバー (HC-PCF) の分野の実験に取り組んでいます。 レーザーの安定化はXLIM Research Instituteでの実験に不可欠です。この記事では、飽和吸収によって得られたルビジウム８５蒸気の D２遷移で行われた安定化を紹介します。 Moku:Pro は、４つのアナログ入出力と複数のアクセス可能なソフトウェア定義計測器を備えており、単一のデバイスでこれを可能にする多用途ツールを提供します。
課題
ルビジウムのサブドップラー透明度を観察するために、光学的および電気的セットアップは、吸収信号を生成する飽和吸収分光法 (SAS) モジュールとして機能する市販のルビジウム (Rb) セルで構成されます。 780nm 付近の波長可変レーザーは、電気光学変調器 (EOM) と波長計の間で分割されます。レーザーを安定させ、EOM を制御し、アラン分散を測定するには、いくつかの異なる機器が必要です。
図1. 上：Moku:Proの電気接続をシアン色で表した光セットアップ。Moku:Proの入力は左、出力は右。下： 波形発生器、レーザーロックボックス、位相計を備えたMoku:Proマルチ機器モード構成。
ソリューション
Moku:Pro のマルチ機器モードを使用すると、XLIMの研究者は複数の機器を同時に設定することができ、この場合、波形発生器、ロックインアンプ、ダブル PID コントローラー、およびアラン分散のデータ収集として機能します。これは、波形発生器、レーザーロックボックス、および位相計計器を使用して実装されます。波形発生器は、電気光学変調器にリンクされている Moku:Pro の最初の出力 (フランス語設定のため、ここでは「ソート１」と名付けられています) を通じてプローブレーザービームの光周波数を変調します。この関数発生器は、信号ミキシング、復調、およびレーザー ロック アプリケーション用にロックインアンプと PID コントローラーの両方を組み立てるレーザーロック ボックスの１番目のエントリにもリンクされています。レーザーロックボックスは、Rb セル (Moku:Pro の最初の入力「Ent 1」) から出てくるプローブ ビームからのサブドップラー透過性を備えたフォトダイオード信号 (SAS モジュール) にもリンクされています。レーザー ロック ボックスの両方の出力チャネル (A および B) は、レーザー サーボ制御 (「ソート２」) とスキャン (「ソート３」) に使用されます。次に、位相計機器は、ロックされたレーザーのフォトダイオード DC 信号モニタリングと、安定化の品質を表すアラン分散の測定のための取得ツールとして使用されます。
使用される最初のモジュールは、図２に示す波形発生器で、プローブレーザービームを５００ kHz の周波数で変調します。 必要に応じて、出力Aに関連する同相信号を使用して、機器の出力Bで２番目の波形発生器を使用できます (図１の下部を参照)。
図2：上部に生成された関数を表示する波形発生器のインターフェース。下のジェネレーターチャンネル（紫）はここでは使用されていない。
レーザーロックボックスのパラメーターは図３に表示されています。出力と入力 A と B はともに図１に示したものに対応しています。入力 A は周波数変調されたドップラートランスペアレンシーを持つフォトダイオード信号に対応し、入力 B は波形発生器からの変調信号に対応しています。
図3：レーザーロックボックスのブロック図と信号監視用の内蔵オシロスコープ。各電子部品はiPadの画面をタップすることで設定できる。外部発振器だけでなく、スキャン・パラメーター用のタブ（図示せず）も用意されている。
まず、ロック解除されたレーザー DC 信号が図４に示されています。サブドップラー特徴にロックオンするため、Moku:Proを使用して、出力３の物理コネクター（図１の「Sort 4」）にルーティングされたレーザーロックボックスの出力B（図３の「Sort B」）を通して、レーザースキャンを３５ Hz、１４ mVに設定しました。スキャンのオフセットはダイオード・コントローラーで直接設定します。入力Bに位相ロックループ（PLL）を設定し、カットオフ周波数を７０kHzに設定した次数２のローパスバターワースフィルターで信号を復調します。Moku:Proの "tap-to-lock "アイコン（図３に注釈あり）を使ってレーザーをロックするためのエラー信号（図３の赤い曲線）が得られます。ロックは、オシロスコープ上の赤い丸をクリックして設定します。
図4：デフォルトパラメーターのPID高速コントローラー。レーザーのDC信号は赤で示されており、フォトダイオードから直接来ている。
ロックされた信号は、高速 PID コントローラー（図３の出力 A、図１の物理コネクター Sort 3）を通してレーザーの電流制御に送られ、図５に示す PID パラメーターで最適化されます。
図 5: パラメータが最適化された PID 高速コントローラー。ロックされた DC 信号は赤色で表され、フォトダイオードから直接来ている。
比例ゲインや積分器などのさまざまなパラメーターを設定します (図５の上部)。必要に応じて、二重積分器、微分器、積分と微分のための飽和も使用できます。これらのパラメータの最適化は、図４と図５の下部で測定される DC 信号の RMS を減少させることによって実現されます。実際、比例ゲインは信号が発振し始めるまで増加し、その直前に設定されます。同じ操作が積分器に対して実行され、次に必要に応じて微分器の周波数に対して実行されます。 「短期」ロックを最適化するために、良好なパフォーマンスが達成されるまでこのサイクルを繰り返します。最適化が完了し、レーザーがロックされたら、アラン偏差を測定してレーザーの安定性を特徴付ける準備が整います。
アラン分散を測定するには、位相計を使用して安定化レーザーのアラン分散を直接観察するだけです。 これらの測定値は、分析のために iPad、USB、またはクラウドに保存できます。 ただし、保存されたデータは生の信号の周波数、位相、振幅に対応するため、アラン分散を取得する必要があります。 これは、このアプリケーションノートアラン偏差の測定: Moku:Labの位相計を使用したアラン偏差のガイドで説明されているように、Python コードを使用して実行することもできます。
結果と結論
ユーザーフレンドリーなインターフェースを持つMoku:Proは、信号の測定、分析、利用を可能にする多目的なツールです。波形発生器、レーザーロックボックス、位相計をマルチ機器モードで組み合わせることで、Moku:Pro以外の装置を使わずに、７８０ nm付近のルビジウム蒸気のサブドップラースペクトルを分解し、レーザー周波数をD２ Rb遷移にロックすることができました。
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