4月の24、2023を更新
このアプリケーション ノートでは、 PDHレーザーロック方式 PDH レーザー ロック システムを実現するための Moku:Lab Laser Lock Box 装置の実用化。この方法は、Moku:Go および Moku:Pro レーザー ロック ボックスとも互換性があります。
Moku:Lab を使用したパウンド・ドレバー・ホール レーザー ロッキング
レーザー周波数と基準周波数を強制的に等しくすることでレーザーをロックすると、次の 1 つのシナリオが可能になります。(2) ロック システムは、レーザー周波数を基準周波数と等しくなるように制御します。これは周波数安定化と呼ばれます。 (XNUMX) ロック システムは、基準周波数を強制的にレーザー周波数に追従させます。これは、周波数トラッキングと呼ばれます。 Liquid Instruments のレーザー ロック ボックスは、周波数の安定化または周波数追跡に使用されるかどうかに関係なく、高性能、高ゲインのレーザー ロック システムを支援するように設計されています。 Moku:Lab レーザー ロック ボックスは、レーザー ロック システムのセットアップと特性評価をより簡単かつ迅速に行うための高度なセットアップ、取得、および診断機能を提供します。
レーザーロッキングとPDH技術の基礎
レーザー ロッキング技術の中核となるのは、レーザーと周波数基準の間の差または誤差を提供する測定です。しばしば「エラー信号」と呼ばれるこの信号の品質は、最終的にロック システム全体の精度と精度を決定します。おそらく、エラー信号を取得するための最も正確な方法の 1 つは、パウンド・ドレバー・ホール (PDH) 技術です。フィードバック システムで PDH エラー信号を使用すると、レーザーまたはキャビティの変化を非常に正確かつ正確に測定できることが証明されており、その結果、吸収分光法や重力波検出などの無数のアプリケーションで使用されています。 PDH エラー信号技術には、次のようないくつかの重要な利点があります。
- この技術により、レーザーと空洞共振の間の位相と周波数の差を非常に正確かつ正確に測定できます。
- このセンシング技術は、ヌル誤差信号に対応するゼロ周波数差を有するゼロクロス誤差信号を提供する。
- すべての信号処理がデジタルで行われると仮定すると、アナログ電子機器や復調回路で発生する低周波ノイズを回避できます。
これらの利点にはある程度のコストがかかります。周波数/位相のこのような正確な測定値を取得するために、PDH 技術では無線周波数の変調および復調技術が利用されます。これにより、信号処理システムがかなり複雑になるだけでなく、光学システムもある程度複雑になります。しかし、一度理解すれば、これらの複雑さは PDH システムの利点に比べれば些細なものです。
Moku:Lab レーザー ロック ボックスを使用したレーザー ロック
Moku:Lab レーザー ロック ボックスは、PDH ロック システムの操作と使用に通常伴う複雑さを大幅に軽減することを目的としています。図 1 は、PDH レーザー ロック システムのセットアップ例を示しています。このセットアップでは、固体 Nd:YAG NPRO レーザーを使用します。このレーザーは、中程度のフィネス キャビティに合わせてモード整合されています。その後、Moku:Lab レーザー ロック ボックスを使用して、レーザーを空洞共鳴にロックするために必要なすべての信号を生成しました。
図1： PDHレーザーロックシステムの例
レーザーのロックは次の内容で構成されます。
- システムのセットアップ (アライメントを含む)。
- レーザーの変調
- 共鳴を中心に置く
- エラー信号の取得
- レーザーのロック
- ロックの最適化
システムのセットアップ
システムが最適に動作するためには、レーザービームが空洞の光軸と適切に位置合わせされていること、およびレーザーのモードが共振器の空間モードと適切に一致していることを確認することが重要です。位置ずれやモードの不一致により、ロックのパフォーマンスが低下したり、極端な場合にはシステムがまったく機能しなくなる可能性があることに注意することが重要です。最後に、システムは 2 つの光検出器を使用して監視されます。一方の光検出器はキャビティから反射して戻ってきた光を受け取り、もう一方の光検出器はキャビティを通過した光を受け取ります。
Moku:Lab 出力の接続
PDH ロックを成功させるには、いくつかの信号を生成する必要があります。
- 変調信号。位相変調側波帯を生成するために EOM に送信されます。
- 一次フィードバック信号。この場合、レーザーの PZT 周波数制御にフィードバックされます。レーザーの PZT を駆動するには、高電圧アンプ (HV アンプ) が使用されました。
- 二次フィードバック信号 (オプション);レーザーの熱制御へのフィードバックに使用されます。一般に、温度フィードバックの範囲は広くなりますが、ソフトウェアの調整は遅く、粗いものになります。
この場合、変調信号と二次フィードバック信号は Moku:Lab の出力 2 で生成され、Bias-Tee を使用して分離されました。
Moku:Lab 入力の接続
光検出器からの反射信号には、通常、フィードバック信号の作成に必要なすべての情報が含まれています。この信号は、ほとんどの信号処理のために入力 1 に接続されます。 XNUMX 番目の入力チャンネルは、二次補助信号を監視できます。
- 入力 1 は、ほとんどの信号処理のメイン チャネルとして使用されます。このシステムでは、光検出器の AC 出力が Moku:Lab の入力 1 に接続されました。
- 送信信号の DC 成分は入力 2 に接続されました。必須ではありませんが、DC 信号はロック システムの機能を識別して最適化するのに役立ちます。
レーザーの変調
この場合の位相変調は、正弦波電圧信号を EOM に印加することによって実現されます。
変調信号は、 補助オシレーター 特徴。このシステムでは、10 MHz の変調トーンを使用します。
- Aux オシレータを 10 MHz に設定します。
- Aux オシレーターの振幅を設定します。必ず EOM 仕様内の電圧を選択してください。この場合、振幅を 100 mV に設定します。
- AUX オシレーター出力を選択します。この例では、Aux オシロスコープを出力 2 に設定します。
- 出力をオンにします。
レーザー周波数をスキャンして共振を見つける
レーザー周波数のスキャンは、ロック用の信号の特性評価と最適化に非常に役立ちます。
スキャン機能は Moku:Lab レーザー ロック ボックスに統合されています。この例では、PZT アクチュエータ (出力 1) に信号を出力するようにスキャン ジェネレーターを設定します。これをする：
- スキャンを三角波形に設定します
- 振幅を 500 mV に設定します。
- スキャン信号を送信する出力を選択します。この例では、出力チャンネルは出力 1 に設定されています。
- 出力をオンにします
図2： 補助発振器は、EOM を駆動し、位相変調側波帯を作成するために使用されます。
システムの共振を中心に置く
レーザーロックの設定を簡単にするために、通常は共振をスキャンの中央に集中させ、温度コントローラーに適用されるオフセットを調整します。
共振特徴がスキャン上で 0 で発生するまで、オフセットを温度に調整します。
エラー信号の取得と最適化
エラー信号を取得するには、光検出器から受信した RF 信号を局部発振器で復調する必要があります。エラー信号を最適化するには、局部発振器の正しい位相を選択することが重要です。これを行うには、エラー信号を観察しながら局部発振器の位相を調整します。
図3： チャンネル A と B は、それぞれキャビティの送信応答とキャビティから回復されたエラー信号を示しています。
レーザーをロックする
レーザーを手動でロックする
- 共鳴をスキャンの中心に置きます。
- 高速PIDコントローラーを設定します。 (応答は後で最適化できるため、~10 Hz の極を持つ積分器を使用すると便利な場合があります)
- PID コントローラーをオンにする
- レーザー出力が最大になるまで、スキャン振幅をゆっくりと減少させます。
- スキャンをオフにする
タップしてロックを使用する
- 共鳴をスキャンの中心に置きます。
- 高速PIDコントローラーを設定します。 (応答は後で最適化できるため、~10 Hz の極を持つ積分器を使用すると便利な場合があります)
- タップしてロックモードを選択します
- ロックしたいレゾナンスをタップします
注: フィードバックの方向が正しいことを確認してください。
ロックの調整と最適化
システムがロックされたら、ロックを最適化できます。これは通常、PID コントローラーのゲインを調整することを意味します。
これを行うには、PID コントローラー メニューを開きます。
- システムが発振し始めるまで、比例ゲインをわずかに増加させます。
- システムの発振が停止するまで比例ゲインをわずかに下げます。
- 積分器と微分器に対してこれを繰り返します (必要に応じて)
図4： レーザーがロックされている場合、送信パワー (チャネル A) は一定の最大値になります。
エラー信号 (チャンネル B) もゼロに保持されます。
まとめ
Moku:Lab レーザー ロック ボックスは、直感的なコントロールを備えたオールインワンのレーザー ロック装置を提供します。 Moku:Lab は、スタンドアロンの波形発生器、位相シフタ、復調器、フィルタ、PID コントローラを置き換えることにより、高性能のレーザー ロック ソリューションを実現します。
参照
[1] Danielle MR Wuchenich、Christoph Mahrdt、Benjamin S. Sheard、Samuel P. Francis、Robert E. Spero、John Miller、Conor M. Mow-Lowry、Robert L. Ward、William M. Klipstein、Gerhard Heinzel、Karsten Danzmann 、David E. McClelland、および Daniel A. Shaddock、「GRACE フォローオン ミッションのレーザー リンク取得デモンストレーション」、Opt.エクスプレス 22、11351 ～ 11366 (2014)
[2] Moku:Lab 任意波形発生器ユーザーマニュアル (Web サイト) https://www.liquidinstruments.com/products/integrated-instruments/waveform-generator/
