이 애플리케이션 노트에서는 고객 중 한 명이 여러 정교한 전자 장치를 Moku:Lab으로 교체하고 Pound-Drever-Hall(PDH) 기술을 사용하여 Innolight Prometheus 레이저를 캐비티에 고정한 실제 사례를 다룹니다.
개요
PDH(Pound-Drever-Hall) 기술은 1983년 RV Pound, Ronald Drever 및 John L. Hall에 의해 처음 소개되었습니다.1. 레이저의 방출 광 주파수를 Fabry-Perot 공동에 일치시키는 데 널리 사용되는 방법입니다. 레이저 광이 공동으로 향하면 반사, 전송 또는 흡수됩니다. 공동의 길이가 레이저의 정확한 반파장 수에 가까울수록 레이저 에너지가 더 많이 전달됩니다. 불행하게도 레이저의 주파수와 공동의 길이는 주변 온도, 주입 전류, 양자 변동과 같은 다양한 요인에 따라 지속적으로 달라집니다. PDH 잠금은 캐비티에서 반사된 빛을 사용하여 캐비티의 길이나 레이저 주파수에 작은 변화를 만들어 일치를 유지하고 전송을 최대화하는 데 사용할 수 있는 오류 신호를 생성합니다.
PDH 기술은 광검출기를 사용하여 전기 광학 변조기(EOM)에 의해 변조된 반사광을 캡처하고 이 신호를 국부 발진기와 혼합한 후 저역 통과 필터를 통과하여 신호 성분을 분리합니다. 시스템이 공진으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지뿐만 아니라 공진을 복원하기 위해 어느 방향으로 조정해야 하는지에 대한 명확한 표시를 제공합니다. 판독된 신호는 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러로 전송되어 오류 신호를 생성합니다. PDH 기술 이론에 대한 자세한 내용은 몇 가지 리뷰 논문과 논문에서 확인할 수 있습니다. PDH 잠금을 수행하려면 신호 발생기, 믹서 및 저역 통과 필터를 비롯한 여러 전용 맞춤형 전자 기기가 필요합니다. Moku:Lab Laser Lock Box는 대부분의 PDH 전자 장치를 고정밀 레이저 주파수 잠금 기능을 제공하는 사용하기 쉬운 단일 기기에 통합합니다.
실험 설정
Moku:Lab Laser Lock Box에는 PDH 잠금에 사용되는 파형 발생기, 믹서, 저역 통과 필터 및 계단식 PID 컨트롤러 2개가 통합되어 있습니다. 레이저 캐비티의 길이를 조정하면 반사광의 진폭을 모니터링하고 PDH 신호를 실시간으로 화면에 표시할 수 있습니다. 사용자는 한 번의 탭으로 레이저를 제로 교차점에 고정할 수 있습니다.
그림 1 : Moku:Lab Laser Lock Box의 기본 사용자 인터페이스
예제 설정에서는 Prometheus 레이저(Innolight, 20NE)가 전기 광학 변조기(EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1) 선폭이 168kHz인 1.78개의 거울 진행파 공동(190mm, 즉 XNUMXGHz의 FSR)으로 리디렉션됩니다. 반사된 빛은 입력 커플러의 즉각적인 반사로부터 캡처되었습니다. XNUMX개의 포토다이오드(PD, Thorlabs, PDA05CF2)은 캐비티에서 투과된 빛과 반사된 빛을 감지하기 위해 배치되었습니다. PD에서 감지된 신호는 Moku:Lab 입력 1(믹서 입력, AC 커플됨 @ 50Ω) 및 2(모니터, DC 커플됨 @ 50Ω)에 공급되었습니다. Moku Laser Lock Box 파형 발생기를 사용하여 500MHz에서 3.0mVpp의 국부 발진기(LO) 신호를 생성했습니다. 그런 다음 LO는 Moku 출력 2에서 전송되어 바이어스된 Tee(Minicircuits, ZFBT-6G+).
LO 파형의 디지털 복사본은 디지털 방식으로 구현된 믹서와 코너 주파수 4kHz의 디지털 300.0차 버터워스 저역 통과 필터를 사용하여 광 공동에서 반사된 응답을 복조하는 데에도 사용되었습니다. 믹서에서 LO의 위상 변이는 공동 공진 전반에 걸쳐 레이저 주파수를 스캐닝하고 오류 신호 피크 간 전압(기울기)이 최대화될 때까지 위상 지연을 조정하여 조정되었습니다. 고속 PID 제어기는 초기 적분기 포화 코너가 0Hz이고 적분기 단위 이득 주파수(5.8dB 포인트)가 100kHz로 구성되었습니다. 고속 PID의 출력 1은 레이저의 피에조에 직접 연결되어 레이저 주파수를 작동시켰습니다. 스캔 모드에서는 공동 공진을 발견하기 위해 이 출력에서 램프 신호도 생성되었습니다. 저속 PID 컨트롤러는 적분기 교차 주파수 32.2mHz에서 -200dB의 비례 이득을 갖도록 구성되었습니다. 이 저주파 PID 컨트롤러 출력은 출력 2의 Bias-Tee를 사용하여 분리되어 레이저의 온도 제어 BNC로 전송되었습니다. 20dB 감쇠(미니회로, HAT-20+)도 이 레이저 온도 액추에이터에 인라인으로 배치되어 감도를 줄였습니다.
그림 2 : Moku:Lab을 사용한 PDH 기술의 실험 설정
Moku:Lab으로 PDH 레이저 주파수 잠금을 사용합니다.
PDH 잠금을 활성화하기 위해 PDH 판독 신호는 먼저 레이저 잠금 모드의 램프 스캔에 의해 생성되었습니다. 캐비티 공진을 스캐닝 범위의 중간에 가깝게 만들기 위해 느린 온도 오프셋을 조정했습니다. 그런 다음 단일 탭을 사용하여 중앙의 영점 교차점이 잠금 지점으로 선택되었습니다. 이는 고속 PID 컨트롤러를 작동시켰고 레이저 주파수는 캐비티에 고정되었습니다. 그런 다음 적분기 포화를 꺼서 레이저 주파수를 공동의 DC 주파수로 가져왔습니다. 그런 다음 느린 컨트롤러가 작동되어 0.1Hz 미만의 주파수에서 레이저 압전 변환기(PZT)의 제어 작업을 오프로드하고 레이저가 실내/실험실 조건의 다양한 변화에 대해 고정된 상태를 유지하도록 보장합니다.
그림 3 : PDH 오류 신호 플롯의 예 및 제로 교차점을 잠그는 탭
그림 4 : 느린(온도) PID 컨트롤러의 구성 예
결과 및 논의
TEM00 모드에 대한 레이저의 공동 잠금은 전송된 광검출기 전력을 모니터링하고 CCD 카메라(적외선 감지 보기 카드를 사용할 수도 있음)를 사용하여 전송 시 레이저 모드 모양을 확인하여 확인되었습니다. 이러한 모니터 신호의 시간 영역 신호는 오실로스코프에 내장된 Moku:Lab Laser Lock Box에서 실시간으로 쉽게 볼 수 있습니다.
전체 루프 이득의 기본 최적화는 내장된 오실로스코프 측정 기능을 사용하여 오류 신호 RMS를 계산함으로써 이루어졌습니다. 오류 신호의 RMS를 최소화하기 위해 이득이 증가되었습니다. 게인이 너무 많으면 진동이 발생하고 게인이 너무 적으면 레이저 주파수 교란이 불충분하게 억제됩니다. 주파수 영역 최적화를 통해 루프 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이는 합산 전치 증폭기를 사용하여 Moku:Lab 출력 1과 레이저 피에조 사이에 스위프 사인 교란을 주입하고 루프 내에서 이 주입된 교란의 억제를 측정하여 수행할 수 있습니다. 이러한 측정은 주파수 응답 분석기 장비를 사용하는 두 번째 Moku:Lab을 사용하여 수행할 수 있습니다. 이러한 고도로 최적화된 구성에서 루프의 단위 이득 주파수는 30-60kHz로 최적화되어야 합니다(이보다 높으면 레이저의 피에조가 응답하기에는 너무 빠른 경우가 많습니다).
한 테스트에서는 0.1캐비티 10레이저 테스트를 사용하여 제어 루프 성능을 검증했습니다. 두 번째 레이저는 두 번째로 동일한 Moku:Lab Laser Lock Box 설정을 사용하여 첫 번째 레이저 잠금 장치 위의 FSR(자유 스펙트럼 범위) 하나에 있는 캐비티에 고정되었습니다. 두 개의 독립적인 주파수에서 잠금을 사용하여 두 개의 레이저를 동일한 공통 캐비티 노이즈와 비교했지만 독립적인 전자 및 Moku 디지털화 노이즈를 사용했습니다. 이 두 잠긴 레이저 사이의 잔류 주파수 변화는 캐비티 스페이서 소음, 캐비티 코팅의 열 소음 및 실험실 환경의 일반적인 진동과 무관했습니다. 제어 루프와 센서로만 인한 이 소음은 두 레이저 경로의 빛을 고속 광검출기로 결합하고 이를 안정적인 GHz 함수 발생기와 혼합한 다음 세 번째 Moku:Lab 장비인 Phasemeter를 사용하여 측정되었습니다. 주파수 편차를 추적합니다. Moku:Lab 위상계는 상대 주파수 잡음의 ASD를 생성하여 잔류 주파수 잡음을 판독하는 데 사용되었습니다. 제어 루프로 인한 잔류 잡음은 루프당 XNUMXHz에서 XNUMXHz/√Hz인 것으로 나타났습니다. 캐비티 레이저 잠금 장치의 실제 절대 성능은 근본적인 열 코팅 소음으로 인해 저주파에서 궁극적으로 제한됩니다.
승인
실험의 세부 사항, Moku:Lab 사용에 대한 설명 및 피드백을 제공해 주신 Andrew Wade, Kirk McKenzie 및 호주 국립 대학교에 감사드립니다. ANU의 실험은 중력파 발견을 위한 ARC 우수 센터의 지원을 받았습니다.
참고자료
[1] Drever, RWP, Hall, JL, Kowalski, FV, Hough, J., Ford, GM, Munley, AJ, & Ward, H. (1983). 광학 공진기를 사용한 레이저 위상 및 주파수 안정화. 응용물리학B, 31(2), 97-105.
[2] Nickerson, M. Pound Drever Hall 레이저 주파수 잠금에 대한 검토. JILA, 콜로라도 대학교 및 Nist.
[3] 랠리, EM(2006). Pound-Drever-Hall 안정화 기술을 사용하는 1550nm의 좁은 선폭 레이저 (버지니아 공대 박사 논문).
