4 월 24, 2023 업데이트
이 애플리케이션 노트에서는 PDH 레이저 잠금 방식 PDH 레이저 잠금 시스템을 구현하기 위한 Moku:Lab Laser Lock Box 장비의 실제 사용. 이 방법은 Moku:Go 및 Moku:Pro 레이저 잠금 상자와도 호환됩니다.
Moku:Lab을 사용한 Pound-Drever-Hall 레이저 잠금
레이저와 기준 주파수를 동일하게 하여 레이저를 잠그는 것은 두 가지 시나리오를 허용합니다. (1) 잠금 시스템은 레이저 주파수를 기준 주파수와 동일하도록 조정합니다. 이를 주파수 안정화라고 합니다. (2) 잠금 시스템은 기준 주파수가 레이저 주파수를 따르도록 강제하며, 이를 주파수 추적이라고 합니다. 주파수 안정화 또는 주파수 추적에 사용되는 Liquid Instruments의 레이저 잠금 상자는 고성능, 고이득 레이저 잠금 시스템을 지원하도록 설계되었습니다. Moku:Lab Laser Lock Box는 레이저 잠금 시스템을 더 쉽고 빠르게 설정하고 특성화할 수 있는 고급 설정, 획득 및 진단 기능을 제공합니다.
레이저 잠금 및 PDH 기술의 기본
레이저 잠금 기술의 핵심은 레이저와 주파수 기준 간의 차이 또는 오류를 제공하는 측정입니다. 종종 '오류 신호'라고도 불리는 이 신호의 품질은 궁극적으로 전체 잠금 시스템의 정밀도와 정확성을 결정합니다. 틀림없이 오류 신호를 얻는 가장 정확한 방법 중 하나는 PDH(Pound-Drever-Hall) 기술입니다. 피드백 시스템에서 PDH 오류 신호를 사용하면 레이저 또는 공동의 변화를 매우 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 것으로 입증되어 흡수 분광학 및 중력파 감지와 같은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. PDH 오류 신호 기술에는 다음과 같은 몇 가지 주요 이점이 있습니다.
- 이 기술은 레이저와 공동 공진 사이의 위상 및 주파수 차이를 매우 정확하고 정밀하게 측정합니다.
- 감지 기술은 널 오류 신호에 해당하는 제로 주파수 차이를 갖는 제로 교차 오류 신호를 제공합니다.
- 모든 신호 처리가 디지털 방식으로 수행된다고 가정하면 아날로그 전자 장치 및 복조 회로에서 발생하는 저주파 잡음을 방지합니다.
이러한 이점에는 어느 정도의 비용이 듭니다. 주파수/위상의 정확한 측정값을 얻기 위해 PDH 기술은 무선 주파수 변조 및 복조 기술을 활용합니다. 이는 신호 처리 시스템에 상당한 복잡성을 추가할 뿐만 아니라 광학 시스템에도 약간의 복잡성을 추가합니다. 그러나 일단 이해하고 나면 이러한 복잡성은 PDH 시스템의 장점에 비해 사소한 것입니다.
Moku:Lab Laser Lock Box를 사용한 레이저 잠금
Moku:Lab Laser Lock Box는 일반적으로 PDH 잠금 시스템의 작동 및 사용과 관련된 복잡성을 대폭 줄이는 것을 목표로 합니다. 그림 1은 PDH 레이저 잠금 시스템의 설정 예를 보여줍니다. 이 설정은 적당한 기교 캐비티에 정렬되고 모드 일치되는 고체 Nd:YAG NPRO 레이저를 사용합니다. 이후 Moku:Lab Laser Lock Box는 레이저를 공동 공명에 고정하는 데 필요한 모든 신호를 생성하는 데 사용되었습니다.
그림 1 : PDH 레이저 잠금 시스템의 예
레이저 잠금은 다음으로 구성됩니다.
- 시스템 설정(정렬 포함)
- 레이저 변조
- 공명 중심 맞추기
- 오류 신호 획득
- 레이저 락
- 락 최적화
시스템 설정
시스템이 최적으로 작동하려면 레이저 빔이 공동의 광축과 잘 정렬되고 레이저 모드가 공진기의 공간 모드와 잘 일치하는지 확인하는 것이 중요합니다. 잘못된 정렬 또는 모드 불일치로 인해 잠금 성능이 저하되거나 극단적인 경우 시스템이 전혀 작동하지 않을 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 마지막으로 시스템은 두 개의 광검출기를 사용하여 모니터링됩니다. 하나의 광검출기는 캐비티에서 다시 반사된 빛을 수신하고, 다른 하나는 캐비티를 통과한 빛을 수신합니다.
Moku:Lab 출력 연결
성공적인 PDH 잠금을 생성하려면 여러 신호를 생성해야 합니다.
- 변조 신호; 위상 변조 측파대를 생성하기 위해 EOM으로 전송됩니다.
- 1차 피드백 신호; 이 경우 레이저의 PZT 주파수 제어에 대한 피드백입니다. 레이저의 PZT를 구동하기 위해 고전압 증폭기(HV amp)가 사용되었습니다.
- 보조 피드백 신호(선택 사항) 레이저의 열 제어에 대한 피드백에 사용됩니다. 온도 피드백은 일반적으로 범위가 더 넓지만 느리고 거친 튜닝 소프트웨어를 제공합니다.
이 경우, 변조 신호와 2차 피드백 신호는 Moku:Lab의 출력 XNUMX에서 생성되었으며 Bias-Tee를 사용하여 분리되었습니다.
Moku:Lab 입력 연결
광검출기에서 반사된 신호에는 일반적으로 피드백 신호를 생성하는 데 필요한 모든 정보가 포함되어 있습니다. 이 신호는 대부분의 신호 처리를 위해 입력 1에 연결됩니다. 두 번째 입력 채널은 보조 보조 신호를 모니터링할 수 있습니다.
- 입력 1은 대부분의 신호 처리에서 기본 채널로 사용됩니다. 이 시스템에서는 광검출기의 AC 출력이 Moku:Lab의 입력 1에 연결되었습니다.
- 전송된 신호의 DC 구성 요소는 입력 2에 연결되었습니다. 꼭 필요한 것은 아니지만 DC 신호는 잠금 시스템의 기능을 식별하고 최적화하는 데 도움이 됩니다.
레이저 변조
이 경우 위상 변조는 정현파 전압 신호를 EOM에 적용하여 달성됩니다.
변조 신호는 다음을 활용하여 생성될 수 있습니다. 보조 발진기 특징. 이 시스템에서는 10MHz 변조 톤을 사용합니다.
- 보조 발진기를 10MHz로 설정합니다.
- Aux 오실레이터의 진폭을 설정합니다. 반드시 EOM 사양에 맞는 전압을 선택하세요. 이 경우 진폭을 100mV로 설정했습니다.
- Aux Oscillator 출력을 선택합니다. 이 예에서는 보조 오실로스코프를 출력 2로 설정합니다.
- 출력을 켜십시오.
레이저 주파수를 스캔하고 공명 찾기
레이저 주파수를 스캔하면 잠금 신호를 특성화하고 최적화하는 데 큰 도움이 됩니다.
Moku:Lab Laser Lock Box에는 스캔 기능이 통합되어 있습니다. 이 예에서는 PZT 액추에이터(출력 1)에 신호를 출력하도록 스캔 생성기를 설정했습니다. 이것을하기 위해:
- 스캔을 삼각파로 설정
- 진폭을 500mV로 설정
- 스캔 신호를 보낼 출력을 선택합니다. 이 예에서는 출력 채널이 출력 1로 설정되어 있습니다.
- 출력을 켜세요
그림 2 : 보조 발진기는 EOM을 구동하고 위상 변조 측파대를 생성하는 데 사용됩니다.
시스템 공명 중심 맞추기
레이저 잠금을 설정하는 동안 작업을 더 쉽게 하기 위해 일반적으로 스캔 중간에 공명을 집중시키고 온도 컨트롤러에 적용되는 오프셋을 조정할 수 있습니다.
스캔에서 공진 특징이 0에서 나타날 때까지 온도에 대한 오프셋을 조정합니다.
오류 신호 가져오기 및 최적화
오류 신호를 얻으려면 광검출기에서 수신된 RF 신호를 국부 발진기로 복조해야 합니다. 오류 신호를 최적화하려면 국부 발진기의 올바른 위상을 선택하는 것이 중요합니다. 이를 수행하려면 오류 신호를 관찰하면서 국부 발진기의 위상을 조정하십시오.
그림 3 : 캐비티의 전송된 응답과 캐비티에서 복구된 오류 신호를 각각 보여주는 채널 A와 B.
레이저 잠금
레이저를 수동으로 잠그기
- 스캔의 중심에 공명을 놓습니다.
- 빠른 PID 컨트롤러를 설정합니다. (나중에 응답을 최적화할 수 있으므로 극이 ~10Hz인 적분기를 사용하는 것이 유용할 수 있습니다.)
- PID 컨트롤러 켜기
- 레이저 출력이 최대가 될 때까지 스캔 진폭을 천천히 줄입니다.
- 스캔 끄기
탭하여 잠금 사용
- 스캔의 중심에 공명을 놓습니다.
- 빠른 PID 컨트롤러를 설정합니다. (나중에 응답을 최적화할 수 있으므로 극이 ~10Hz인 적분기를 사용하는 것이 유용할 수 있습니다.)
- 탭하여 잠금 모드 선택
- 잠그고 싶은 공명을 탭하세요.
참고: 피드백 방향이 올바른지 확인하십시오.
잠금 조정 및 최적화
시스템이 잠기면 잠금을 최적화할 수 있습니다. 이는 일반적으로 PID 컨트롤러의 게인을 조정하는 것을 의미합니다.
이렇게 하려면 PID 컨트롤러 메뉴를 엽니다.
- 시스템이 진동하기 시작할 때까지 비례 게인을 약간 늘립니다.
- 시스템이 진동을 멈출 때까지 비례 이득을 약간 줄이십시오.
- 적분기와 미분기에 대해 이 작업을 반복합니다(필요한 경우).
그림 4 : 레이저가 잠겨 있으면 전송된 전력(채널 A)은 일정한 최대값이 됩니다.
오류 신호(채널 B)도 0으로 유지됩니다.
결론
Moku:Lab Laser Lock Box는 직관적인 제어 기능을 갖춘 올인원 레이저 잠금 장치를 제공합니다. 독립형 파형 발생기, 위상 시프터, 복조기, 필터 및 PID 컨트롤러를 교체함으로써 Moku:Lab은 고성능 레이저 잠금 솔루션을 구현합니다.
참조
[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 및 Daniel A. Shaddock, "GRACE 후속 임무를 위한 레이저 링크 획득 시연", Opt. 급행22, 11351-11366 (2014)
[2] Moku:Lab 임의 파형 발생기 사용자 매뉴얼 https://www.liquidinstruments.com/products/integrated-instruments/waveform-generator/
