在本应用说明中，我们讲述了我们的一位客户如何用 Moku:Lab 替换几个复杂的电子设备并使用 Pound-Drever-Hall (PDH) 技术将 Innolight Prometheus 激光器锁定到腔体的真实故事。
PDH技术简介
Pound-Drever-Hall (PDH) 技术由 RV Pound、Ronald Drever 和 John L. Hall 于 1983 年首次提出1这是一种广泛应用的方法，用于将激光器的发射光频率与法布里-珀罗腔的谐振频率相匹配。当激光束被导入谐振腔时，会发生反射、透射或吸收。谐振腔的长度越接近激光器半波长的精确倍数，透射的激光能量就越多。然而，激光器的频率和谐振腔的长度都会受到环境温度、注入电流和量子涨落等多种因素的影响而连续变化。PDH锁定技术利用谐振腔反射的光来产生误差信号，该误差信号可用于对谐振腔的长度或激光器的频率进行微调，从而使二者保持匹配并最大化透射率。PDH技术使用光电探测器捕获由电光调制器（EOM）调制的反射光，并将该信号与本振信号混合，然后通过低通滤波器分离出信号中能够明确指示系统偏离谐振频率程度以及需要朝哪个方向进行调整才能恢复谐振频率的分量。读出信号随后被送入比例-积分-微分（PID）控制器以产生误差信号。关于PDH技术的理论细节，可参考一些综述文章和学位论文。为了实现PDH锁定，需要一些专用和定制的电子仪器，包括信号发生器、混频器和低通滤波器。 Moku:Lab Laser Lock Box 将大部分 PDH 电子器件集成到一个单一、紧凑、易于使用的仪器中，提供高精度激光频率锁定。实验装置
莫库：实验室 激光锁频/稳频器 集成了波形发生器、混频器、低通滤波器和两个用于 PDH 技术的级联 PID 控制器。通过调节激光腔的长度，可以监测反射光的幅度，并在屏幕上实时显示PDH信号。用户只需轻按一下即可将激光器锁定到任何零交叉点。
图1： Moku:Lab 激光锁盒的主要用户界面
在示例设置中，Prometheus 激光器（Innolight，20NE）由电光调制器（EOM， iXBlue，NIR-MPX-LN-0.1)，并重新定向到三镜行波腔（168 mm，即FSR为1.78 GHz），线宽为190 kHz。反射光由输入耦合器的瞬时反射捕获。两个光电二极管（PD，Thorlabs， 掌上电脑05CF2放置光电探测器（PD）以检测腔体透射光和反射光。PD 检测到的信号被送入 Moku:Lab 的输入 1（混频器输入，交流耦合，50 Ω）和输入 2（监视器，直流耦合，50 Ω）。使用 Moku 激光锁相盒波形发生器生成 3.0 MHz、峰峰值 500 mV 的本振（LO）信号。然后，该本振信号从 Moku 的输出 2 经由偏置 T 型管（Minicircuits）送至电光调制器（EOM）进行驱动。 ZFBT-6G+使用数字实现的混频器和截止频率为 300.0 kHz 的四阶数字巴特沃斯低通滤波器，对本振 (LO) 波形的数字副本进行解调，从而解调光学腔的反射响应。通过扫描腔谐振频率上的激光频率并调整相位延迟，直至误差信号的峰峰值电压（斜率）最大化，来调节混频器处本振的相移。快速 PID 控制器配置为积分器单位增益频率（0 dB 点）为 5.8 kHz，初始积分器饱和截止频率为 100 Hz。然后，将快速 PID 控制器的输出 1 直接连接到激光器的压电元件以驱动激光频率。在扫描模式下，也从该输出生成斜坡信号以检测腔谐振频率。慢速 PID 控制器配置为比例增益为 -32.2 dB，积分器交叉频率为 200 mHz。然后，使用输出 2 处的偏置三通将低频 PID 控制器输出分离出来，并送入激光器的温度控制 BNC 接口。衰减量为 20 dB（Minicircuits， HAT-20+) 也被放置在这个激光温度执行器的线上，以降低其灵敏度。
图2： Moku:Lab 的 PDH 技术实验装置
采用 Moku:Lab 的 PDH 技术激光频率锁定
为了实现PDH锁定，首先在激光锁定模式下通过斜坡扫描生成PDH读出信号。调整慢速温度偏移，使腔体谐振频率接近扫描范围的中间值。然后，单击中间的过零点作为锁定点。这将启动快速PID控制器，并将激光频率锁定到腔体。然后关闭积分器饱和功能，使激光频率达到腔体的直流频率。然后启动慢速控制器，这将减轻激光器压电换能器 (PZT) 在0.1 Hz以下频率的控制负担，并确保激光器在室内/实验室条件下的较大变化范围内保持锁定。
图3： 示例 PDH 误差信号图并点击以锁定过零点
图4： 慢速（温度）PID 控制器的示例配置