Benoît Debord, Fetah Benabid, Thomas Billotte, Clément Goïcoechéa가 본 문서에 기여했습니다
요약
XLIM 연구소 소속 가스상 광전자 및 마이크로파 재료(Gas-Phase Photonic and Microwave Materials, GPPMM) 그룹의 연구원들은 중공 코어 광결정 섬유(hollow-core photonic crystal fibers, HC-PCF) 분야의 실험을 진행하고 있습니다. 본 실험에서 레이저 안정화는 필수적이며 여기에서는 포화 흡수를 통해 얻은 루비듐 85 증기의 D2 전이에서 이루어진 안정화를 보여주고 있습니다. 4개의 아날로그 입출력 및 여러 액세스 가능한 소프트웨어 정의 계측기를 갖춘 Moku:Pro는 장비 단 하나로 이 모든 것을 가능케 하는 다목적 도구를 제공합니다.
과제
루비듐 서브도플러 투명도를 관찰하기 위해 광학 및 전기 설정은 흡수 신호를 생성하는 포화 흡수 분광법(SAS) 모듈 역할을 하는 상업용 루비듐(Rb) 셀로 구성됩니다. 780nm 정도의 조정 가능한 레이저는 전기광학 변조기(EOM)와 파장 측정기 사이에 분할됩니다. 레이저를 안정화하고 EOM을 제어하며 Allan 분산을 측정하려면 여러 가지 장비가 필요합니다.
그림 1. 상단: 청록색으로 표시된 Moku:Pro 전기 연결을 사용한 광학 설정. Moku:Pro 입력은 왼쪽에 있고 출력은 오른쪽에 있습니다. 하단: 파형 발생기, 레이저 락 박스 및 위상 계측기를 사용한 Moku:Pro 다중 기구 모드 구성.
해법
Moku:Pro의 다중 기구 모드를 사용하면 XLIM 연구자가 여러 기구를 동시에 구성할 수 있습니다. 이 경우 파형 발생기, 락인 증폭기, 이중 PID 컨트롤러 및 Allan 분산을 위한 데이터 수집 역할을 합니다. 이는 파형 발생기, 레이저 락 박스 및 위상 계측기 장비를 사용하여 구현됩니다. 파형 발생기는 전기 광학 변조기에 연결된 Moku:Pro의 첫 번째 출력(프랑스어 설정으로 인해 "Sort 1"로 명명됨)을 통해 프로브 레이저 빔의 광 진동수를 변조합니다. 이 함수 발생기는 신호 혼합, 복조 및 레이저 락 응용 분야를 위한 락인 증폭기와 PID 컨트롤러를 모두 조립하는 레이저 락 박스의 두 번째 항목에도 연결됩니다. 레이저 락 박스는 Rb 셀(Moku:Pro의 첫 번째 입력, "Ent 1")에서 나오는 프로브 빔의 하위 도플러 투명도를 사용하여 포토다이오드 신호(SAS 모듈)에도 연결됩니다. 레이저 락 박스(A 및 B)의 두 출력 채널 모두 레이저 서보 제어("정렬 2") 및 스캐닝("정렬 3")에 사용됩니다. 그런 다음 위상 계측기장비는 고정된 레이저의 포토다이오드 DC 신호 모니터링과 안정화 품질을 나타내는 Allan 분산 측정을 위한 도구로 사용됩니다.
사용되는 첫 번째 모듈은 2kHz 주파수에서 프로브 레이저 빔을 변조하기 위해 그림 500에 표시된 파형 발생기입니다. 필요한 경우 출력 A와 관련된 가능한 동위상 신호를 사용하여 장비의 출력 B(그림 1 하단 참조)에서 두 번째 파형 발생기를 사용할 수 있습니다.
그림 2: 상단에 생성된 함수를 표시하는 파형 발생기 계측기 인터페이스. 하단 생성기 채널(보라색)은 여기서 사용되지 않습니다.
레이저 락 박스 매개변수는 그림 3에 표시되어 있습니다. 출력과 입력 A 및 B는 모두 그림 1에 표시된 것과 일치합니다. 입력 A는 진동수 변조된 도플러 투명도를 갖는 포토다이오드 신호에 해당하고 입력 B는 파형 제조기의 변조 신호에 해당합니다.
그림 3: 신호 모니터링을 위한 통합 오실로스코프와 레이저 락 박스의 블록 다이어그램. 각 전자 부품은 iPad 화면을 탭하여 설정할 수 있습니다. 탭(표시되지 않음)은 외부 발진기뿐만 아니라 매개변수 스캔에도 사용할 수 있습니다.
먼저, 측정된 RMS가 ~4mV인 락 해제된 레이저 DC 신호를 그림 13에 표시합니다. 하위 도플러 기능을 고정하기 위해 출력 35 물리적으로 라우팅되는 레이저 락 박스의 출력 B(그림 14의 "Sort B")를 통해 Moku:Pro를 사용하여 레이저 스캔을 3Hz, 3mV로 설정했습니다. 커넥터(그림 3의 "정렬 1"). 스캔 오프셋은 다이오드 컨트롤러에서 직접 설정됩니다. 입력 B에 PLL(위상 고정 루프)을 설정하고 차단 주파수가 2kHz로 설정된 70차 저역 통과 버터워스 필터를 사용하여 신호를 복조합니다. Moku:Pro에서 사용할 수 있는 "탭하여 고정하기" 아이콘(그림 3에 주석 표시)을 사용하여 레이저를 고정하는 데 사용하는 오류 신호(그림 3의 빨간색 곡선)를 얻습니다. 오실로스코프의 빨간색 원을 클릭하면 잠금이 설정됩니다.
그림 4: 기본 매개변수가 있는 PID 고속 컨트롤러. 레이저 DC 신호는 포토다이오드에서 직접 나오는 빨간색으로 표시됩니다.
그런 다음 고정된 신호는 빠른 PID 컨트롤러(그림 3의 출력 A 및 그림 3의 물리적 커넥터 정렬 1)를 통해 레이저의 전류 제어로 전송되고 그림 5에 표시된 PID 매개변수로 최적화됩니다.
그림 5: 최적화된 매개변수를 갖춘 PID 고속 컨트롤러. 고정된 DC 신호는 포토다이오드에서 직접 나오는 빨간색으로 표시됩니다.
비례 이득 및 적분기(그림 5의 상단 부분)와 같은 다양한 매개변수를 설정합니다. 필요한 경우 이중 적분기, 미분기, 적분 및 유도를 위한 포화도 사용할 수 있습니다. 이러한 매개변수의 최적화는 그림 4와 5의 하단 부분에서 측정된 DC 신호의 RMS를 감소시킴으로써 달성됩니다. 실제로 비례 이득은 신호가 진동하기 시작할 때까지 증가하다가 바로 직전에 설정됩니다. 적분기에 대해 동일한 작업이 수행되고 필요한 경우 미분기 주파수가 수행됩니다. "단기" 고정을 최적화하기 위해 좋은 성능을 얻을 때까지 이 주기를 반복합니다. 최적화가 완료되고 레이저가 고정되면 Allan 편차를 측정하여 레이저 안정성을 특성화할 준비가 된 것입니다.
Allan 분산을 측정하려면 안정화된 레이저의 Allan 분산을 직접 관찰하기 위해 위상 계측기 장비를 사용하면 됩니다. 이러한 측정값은 분석을 위해 iPad, USB 또는 클라우드에 저장할 수 있습니다. 그러나 저장된 데이터는 원시 신호 진동수, 위상 및 진폭에 해당하므로 Allan 분산을 검색해야 합니다. 당사의 어플리케이션 노트 Allan 편차 측정: Moku:Lab의 위상 계측기를 통한 Allan 편차 안내에 설명된 대로 파이선 코드를 사용하여 이 작업을 수행할 수도 있습니다.
결과 및 결론
사용자 친화적인 인터페이스를 갖춘 Moku:Pro는 신호를 측정, 분석 및 사용할 수 있는 다목적 도구입니다. 파형 발생기, 레이저 락 박스 및 위상 계측기 장비를 다중 기구 모드와 결합하면 Moku:Pro 이외의 다른 장치 없이 약 780nm 루비듐 증기의 하위 도플러 스펙트럼을 분석한 다음 D2Rb 전이에 레이저 진동수를 고정할 수 있습니다.
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