在澳大利亚国立大学，引力天体物理中心的博士候选人阿瓦尼什·库鲁尔·拉马莫汉（Avanish Kulur Ramamohan）致力于通过降低相对频率噪声来提高微分测量（例如引力波探测中使用的测量）的精度。这项工作通过展示一种无需特殊参考腔即可减轻频率噪声的独特方法，为计量学、引力波探测和量子通信领域的前沿研究做出了贡献。这些系统面临的核心挑战之一是抑制激光频率噪声，尤其是在低傅里叶频率下。该研究旨在展示一种无需依赖超稳定参考腔或高度专业化的激光系统即可减轻这种噪声的新方法。相反，该团队采用了一种共模噪声消除方案，使用类似的激光器和差分读出来抑制非相关噪声（图1）。通过使用类似的激光器，并采用微分读出技术来稳定频率，可以有效地降低噪声。 Moku:Pro 和 Moku 激光锁频/稳频器Avanish 可以实现一种实用的噪声抑制方法，然后将其集成到更广泛的精密测量中，为未来传感器技术和基础物理实验的突破打开大门。
图 1：具有四个 PLL 的光学锁相装置示意图（顶部、 纸质版）和实验装置（底部）。Liquid Instruments 的 Moku 设备同样源自澳大利亚国立大学引力天体物理中心，为该团队提供了一个理想的系统，能够在保持前沿研究所需的可定制性的同时，实现精确、低噪声的测量。除了使用 Moku 设备外，Avanish 还利用激光锁相盒同时稳定了四个光学锁相环，从而抑制了激光频率噪声并实现了较大的频率偏移动态范围。 频率响应分析仪, 相位表以及其他用于增强特性描述和控制的仪器。
面临挑战
激光频率噪声，尤其是在低于 1 Hz 的频率下，在低傅里叶频率测量中特别难以抑制。在使用多个独立激光器的系统中，不相关的频率波动会降低信噪比，进一步降低测量精度，并使激光频率稳定实验中常见的长期稳定性和环境噪声隔离变得难以维持。该装置包括高端激光器，例如 Mephisto 2000NE、Mephisto 500NE 和 Lightwave 126-1064-700，多个带 PID 控制的数字伺服系统，以及环内和环外光电探测器。为了采集数据，该团队之前使用控制和数据系统 (CDS) 设备，该设备在 LIGO 类型的装置中常用于控制回路。然而，这种方法的最大数据采集频率为 120 kHz，并且必须配备额外的伺服系统来支持快速和慢速 PID 控制。该装置在功能上有效，但越来越难以维护并达到精密测量所需的噪声性能。执行复杂的相位锁定任务和低频传递函数测量的需求，对实验室现有仪器的性能提出了更高的要求。随着实验的推进，人们逐渐意识到需要一个更加集成和灵活的系统。“我使用 Moku 进行这项实验的最终目标是实现激光器的相位锁定，这在所有设备都正常运行时至关重要，”Avanish 说。“有了这种方法，我们就不会在读数中遇到频率噪声。”
解决方案
为了应对这些挑战，Avanish 使用 Moku:Pro 用一台设备取代了原有系统中的多种工具。他首先使用 Moku:Lab 对噪声进行特性分析，然后逐步过渡到使用 Moku:Pro 进行完整的系统集成。“看到 Moku 提供的各种功能，我心想，‘这台设备可以完成所有传感器读数的工作，’”Avanish 说。“我们最终入手了一台 Moku:Pro，所有特性分析工作都在 Moku:Pro 中完成。这非常方便。”凭借 Moku:Pro 的灵活性和低噪声性能，Avanish 成功完成了下一阶段的实验，特别是相位锁定实验。借助 Moku:Pro，Avanish 可以用一台设备完成关键的分析、生成和控制任务，通过重新配置设备中的 FPGA 来执行不同的功能。例如，Avanish 使用频率响应分析仪进行传递函数测量（图 2b），以表征图 2a 中的回路并验证反馈控制。他还使用 Moku 数据记录器、波形发生器和相位计进行了噪声测量并记录了数据。
图 2：（a）锁相环 (PLL) 的框图，显示了环内模块组件描述符、环内输入噪声点以及误差信号和控制信号提取点。伺服指的是 Moku PID 控制器。（b）使用 Moku 频率响应分析仪捕获的环路组件模块的增益响应和开环传递函数 (OLTF)。摘自论文。实验的核心是 Moku:Pro。 多仪器并行模式对设备内部的 FPGA 进行部分重新配置，以同时部署四个独立的激光锁相盒 (Laser Lock Box) 仪器，每个仪器运行各自的光学锁相环 (OPLL)。借助四个集成的激光锁相盒仪器，该团队能够在整个系统中保持精确的相位控制，同时最大限度地降低设置的复杂性。
结果
借助 Moku:Pro，Avanish 实现了稳定的低噪声锁相，同时在宽调谐范围内保持了环路稳定性，如图 3a 所示。一项关键实验结果表明，在 +/- 100 MHz 的调谐范围内，本振成功锁相，且锁定过程无任何中断，频率偏差如图 3b 所示。
图 3：PLL 环内和环外拍音的频率偏差测量。图 3(a) 使用 Moku 相位计测量，图 3(b) 中环外拍音频率偏差的时序测量使用 NI 5761 测量。摘自论文。“如果我必须手动或使用模拟系统进行测量，我认为我无法利用本地振荡器获得如此精确的精度，尤其是在 Moku 的噪声基底如此之低的情况下，”Avanish 说。“这是我欣赏 Moku 的关键特性之一。” 如图 4 所示，Avanish 使用处于多仪器模式的激光锁相盒，克服了各种固有的和性能方面的挑战，实现了精确的相位锁定。所有这些都比其他解决方案具有更好的噪声性能和稳定性。使用相同的技术，他已经开始进行…… 庞德-德雷弗-霍尔锁定 使用 Moku:Pro 激光锁盒，预计今年晚些时候将获得更多成果。
图 4：测试机架，机架中央放置着各种测试设备，包括两台 Moku:Lab 设备和一台 Moku:Pro 设备。激光锁盒的仪器显示在上方两块 iPad 屏幕上，而频率响应分析仪的增益和相位图则显示在左下方的 iPad 屏幕上。锁盒装置中的另一台关键仪器是 Moku。 PID 控制器通过内置的双积分器，该器件实现了低频高增益。“正是这一点帮助实验实现了如此高的频率噪声抑制，”阿瓦尼什说道。“我不知道还有什么其他设备能够在低频下获得如此高的增益，从而达到如此优异的频率噪声性能。这正是我想要的——没有其他设备能够做到这一点。”
结语
Avanish及其团队的工作不仅解决了精密测量领域长期存在的技术难题，还为未来在引力传感、计量学和量子系统领域的研究提供了一个可扩展的模型。该团队对Moku:Pro的应用，充分展现了灵活仪器与高影响力物理研究的强大结合，未来还将有更多论文发表。值得一提的是，Avanish及其团队正在调试一台扭摆式拨盘振荡器（TorPeDO）。利用该振荡器和Moku:Pro激光锁定盒，该团队可以同时对四台激光器进行Pound-Drever-Hall锁定，从而直接测量牛顿噪声或引力梯度噪声，并控制测量激光的频率以精确跟踪TorPeDO腔长的变化（图5）。
图5：ToRPeDO传感器原理图。Moku:Pro包含反馈控制、低通滤波器（LPF）、混频器和PDH本振。转载自论文。
Moku:Pro 已成为这个引力物理实验室中不可或缺的工具，它能够在一个可重构的设备中实现高性能相位锁定、低频噪声抑制和集成系统控制。要了解更多关于 Avanish 及其团队实验的信息，请阅读完整论文。 开始.