레이저는 실험 물리학에 관한 한 20세기의 가장 중요한 발명품 중 하나입니다. 1960년 레이저가 처음으로 시연된 이후 레이저는 전 세계 연구실에서 널리 사용되어 현대 광학 및 양자 연구의 초석을 형성했습니다. 레이저 잠금이라고도 알려진 레이저 안정화는 최첨단 응용 분야에서 레이저 성능을 최적화하는 데 중요한 단계입니다. 이 기사에서는 레이저가 왜 유용한지, 레이저를 안정화해야 하는 이유를 살펴보고 레이저 잠금 기술을 설명합니다.
레이저란?
레이저의 주요 특징은 단색이면서도 일관성 있는 빛을 방출하여 빔을 형성한다는 것입니다. 이러한 안정적이고 일관된 광원을 통해 사용자는 특정 관심 주파수와 초점을 조사하고 필요한 곳에 레이저 빔을 보낼 수 있습니다. 이러한 능력 덕분에 레이저는 원자 전이 구동, 정보 전송, 현미경 검사 수행 및 기타 다양한 응용 분야에 매우 유용합니다. 레이저는 이제 다양한 분야에서 필수적인 부품이 되었습니다. 양자 광학 및 암흑 물질 탐지 에 라만 분광학.
레이저 주파수 안정화가 왜 중요한가요?
표면적으로는 안정적인 광원임에도 불구하고 실제로 레이저는 소스 전류 변동, 온도 변화, 기계적 진동, 부품 노화와 같은 환경 요인에 매우 민감합니다. 이로 인해 레이저는 시간이 지남에 따라 주파수나 위상이 변하게 됩니다. 정확하고 반복 가능한 측정이 필요한 애플리케이션의 경우 이는 반드시 해결해야 할 문제입니다. 다행스럽게도 연구자들은 레이저의 주파수를 안정화하거나 "고정"하는 여러 가지 방법을 개발했습니다.
레이저는 어떻게 안정화되나요?
레이저를 안정화하는 방법에는 몇 가지가 있습니다. 가장 일반적인 것 중 하나는 파운드-드레버-홀 (PDH) 기술. 그림 1에서 볼 수 있듯이 설정에는 레이저 소스, 전기 광학 변조기(EOM), RF 합성기, 포토다이오드 및 주파수 복조기(일반적으로 잠금 증폭기). 주파수 기준 역할을 하는 마지막 구성 요소는 반사율이 높은 거울이 있는 광학 공동 또는 에탈론입니다. 반사율이 높으면 캐비티의 선폭이 매우 좁아집니다.
그림 1: 일반적인 PDH 레이저 잠금 설정.
PDH 절차의 목표는 캐비티의 주파수와 일치할 때까지 레이저 주파수를 스윕한 다음 피드백 루프를 사용하여 레이저를 고정하는 것입니다. 빔은 레이저 소스에 의해 생성된 후 위상 변조를 위해 EOM을 통과합니다. 이 경우 RF 소스에 의해 생성된 변조 주파수는 일반적으로 캐비티의 선폭보다 높습니다. 그 후, 빔은 원래 신호와 2개의 측파대로 구성된 3개의 주파수 성분을 갖게 됩니다.
변조된 신호가 광 공동으로 전달되면 신호의 주파수에 따라 신호의 다른 비율이 반사되거나 전송됩니다. 어떤 의미에서 공동은 주파수 변조된 빔을 진폭 변조된 빔으로 변환합니다. 이는 나중에 락인 증폭기. 더욱이, 반사된 신호의 위상은 주파수 성분이 공동 공진보다 높은지 낮은지에 따라 달라집니다. 반사된 빔과 측파대 사이의 간섭으로 인해 복잡한 주파수 프로필이 생성됩니다. PDH 잠금에 대한 수학적 기초를 참조하세요. 여기에서 지금 확인해 보세요. — 그러나 그 결과는 잠금 증폭기를 사용하여 동일한 주파수에서 복조함으로써 복구할 수 있는 "오류 항"이 생성됩니다.
잠금 지점을 찾으려면 먼저 레이저의 중심 주파수를 스윕합니다. 그런 다음 각 지점에서 오류 신호를 계산합니다. 완료되면 스윕은 각 주파수 구성요소가 캐비티와 공진하는 지점에 해당하는 오류 신호의 3개의 제로 크로싱을 표시합니다. 오류 신호의 부호와 크기는 레이저 주파수가 공동 공명에서 얼마나 멀리 벗어나는지 결정합니다. 이 정보는 서보를 통해 레이저로 피드백되어 조정될 수 있으며 폐쇄 루프 피드백 시스템을 형성합니다.
PDH 레이저 잠금 방식의 장점은 무엇인가요?
측면 프린지 잠금과 같은 다른 레이저 안정화 기술과 달리 PDH 잠금에는 몇 가지 뚜렷한 이점이 있습니다. 첫째, 생성된 오류 신호에는 이와 관련된 부호가 있어 사용자는 레이저 주파수가 캐비티 주파수보다 높은지 낮은지를 결정할 수 있습니다. 이는 레이저를 공동 공명에 직접 고정하고 표류하는 방향에 관계없이 주파수를 수정할 수 있음을 의미합니다. 둘째, 오류 신호는 입사 레이저 출력과 무관합니다. 즉, 강도 변동으로 인해 시스템에 노이즈가 추가되지 않습니다. 마지막으로, 주파수 함수로서의 오류 신호는 피드백 루프가 작동하는 데 유용한 방식인 거의 공진에 가까운 선형입니다.
레이저 잠금 상자란 무엇입니까?
레이저 락 박스는 변조부터 PID 피드백까지 전체 PDH 프로세스를 구현하는 도구입니다. 소프트웨어 정의의 경우 Moku 레이저 잠금 상자, 독립형 RF 발생기, 위상 천이기, 복조기, 필터 및 PID 컨트롤러를 단일 디지털 계측기로 대체하여 물리적 구성 요소로 인해 발생하는 아날로그 잡음 및 삽입 손실을 제거합니다. Moku Laser Lock Box는 다음을 사용하여 프로세스를 크게 간소화합니다. 모쿠: 앱 통합 오실로스코프를 사용하면 한 화면에서 변조, 오류 또는 PID 신호의 상태를 확인할 수 있으며 제로 크로싱 중 하나에서 잠금 지점을 선택할 수 있습니다. 다른 기능으로는 복조를 위한 최적 지점을 찾는 데 도움이 되는 디지털 위상 시프터와 레이저에 피드백 신호를 제공하는 완전히 통합된 고속 및 저속 PID 컨트롤러가 있습니다. Moku Laser Lock Box는 PDH 레이저 잠금 시스템의 물리적 공간과 기술적 복잡성을 모두 줄이는 동시에 최종 사용자를 위한 프로세스를 자동화합니다.
그림 2: Moku: 앱에서 본 Moku 레이저 잠금 상자. 오류 플롯의 원은 Lock Assist를 통해 잠금 지점으로 선택할 수 있는 제로 크로싱을 나타냅니다.
관점 및 추가 리소스
레이저 안정화와 레이저 주파수 고정을 위해 PDH 방법을 사용하는 것은 고급 광학 실험을 구현하기 위한 전제 조건입니다. Moku Laser Lock Box와 같은 유연한 도구는 레이저 잠금 시스템의 크기와 복잡성을 줄이고 작업의 번거로움과 반복적 특성을 제거하여 귀중한 시간 절약으로 사용자 경험을 향상시킵니다.
Moku Laser Lock Box가 실제로 작동하는 모습을 보려면 다음 앱 노트와 사례 연구를 확인하세요.
Moku:Pro 레이저 락 박스를 사용하여 PDH 레이저 락을 최적화하는 방법
Moku 장치용 레이저 잠금 상자를 사용하여 Pound-Drever-Hall 레이저 잠금 기술을 간소화하는 방법을 알아보세요.
소프트웨어 정의 계측을 사용하여 좁은 선폭 레이저 시스템의 잠금 및 특성화를 동시에 수행하는 방법을 알아보세요.
University of Münster의 Moku:Pro 레이저 락 박스를 사용한 공진기 길이 안정화
연구자들이 반복적이고 시간 소모적인 작업을 제거하여 신호 특성화 목표를 가속화하는 방법을 알아보세요.
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