总结
在澳大利亚国立大学的引力天体物理中心/OzGrav，Andrew Wade 博士及其团队正在开发用于远程、高精度激光传感项目的超稳定频率参考源。 Moku:Pro 的 Laser Lock Box 及其基于 FPGA 的数字实现使他们能够轻松获取锁定和调整参数，以获得比之前的自定义设置更易于访问、更强大的解决方案。
挑战
在他们开发天基激光传感技术的工作中，ANU 的研究人员依赖于非常精确的激光频率测量和控制。 当使用激光进行长距离测量时，例如在轨道上的卫星之间，即使激光频率发生微小变化也会给测量带来很大的不确定性或噪声。 确定激光的频率并抑制该频率随时间的波动是澳大利亚国立大学研究的关键。 另一个挑战是每个激光器和频率参考（腔）的定制特性意味着控制系统必须针对每个设置进行定制。
根据 Wade 博士的说法，“模拟电路在带宽和环路延迟方面具有一些优势，但通常更容易受到偏移、环境引起的漂移和杂散交叉耦合的影响。 还有一个问题是如何获取锁定和调整循环参数，这通常是通过手动过程完成的：物理上轻弹开关并使用前面板旋钮进行调整。” 由于市场上激光锁定设备的选择非常有限，大多数实验室出于性能原因而求助于构建自己的激光锁定设备，从而在构建和维护这些设置时产生大量开销。
图 1：ANU 实验室设置将激光锁定到 100,000 精细度参考腔
Wade 博士和他的团队正在使用市售的最高精细腔体，这带来了进一步的挑战。 100,000 finesse腔的极窄共振意味着Pound-Drever-Hall (PDH)误差信号的线性捕获范围非常小，难以获得锁定。
解决方案
Moku:Pro 的激光锁盒的数字实现解决了模拟电路设计方法的许多缺点。 基于 FPGA 的架构允许重新配置以针对不同的激光器或参考进行调整，而实时参数调整以及错误和控制信号的可视化使优化环路设计的过程更加直接。
作为一个集成腔体锁定单元，Moku:Pro 能够提供直观的用户界面，使锁定和调整反馈控制器更容易，同时降低复杂性和可能的故障点。 “调试断线和焊接修复 PCB 现在似乎已成为过去，”Wade 博士说。 “执行器的数字化、解调、频率整形和混合的所有元素都在一个单元中完成，使其可以快速安装、启动和运行。”
图 2：Laser Lock Box iPad 接口框图和显示错误和控制信号的中间探测点
利用 Moku:Pro 上的多仪器模式，他们能够使用激光锁盒将激光锁定到光腔，同时还可以使用频率响应分析仪 (FRA) 进行波德图测量，无需额外的测试设备或接线。 FRA 将干扰注入误差信号以测量系统的传递函数，从而检查闭环增益和相位裕度以及环路的干扰抑制性能。 研究人员可以在 FRA 和 Laser Lock Box 之间快速切换，以调整 PID 参数来优化回路性能，从而确保稳定性并最大限度地抑制干扰。
图 3：研究人员在多仪器模式下使用频率响应分析仪测量波德图上的控制环相位裕度
根据 ANU 对 Liquid Instruments 的反馈，激光锁盒中还添加了免解调输入，使他们能够使用 Moku:Pro 的标准仪器套件实施自定义激光腔读出方案。 这一新功能使他们能够避免构建自己的自定义系统并节省大量时间，突出了 Moku:Pro 软件定义方法的优势。
收集有关频率稳定性和环路特性的数据后，研究人员将其保存并导出以用于文档、出版和离线建模。 Moku:Pro 的 Wi-Fi 连接确保可以远程快速完成此操作。 激光频率稳定性数据可以在很长的记录时间内连续记录，仅受存储大小的限制。
结果
凭借 Moku:Pro 的功能和灵活性组合，ANU 能够快速启动和运行，避免了构建和维护自定义系统的开销。 “切换到 Moku:Pro 进行激光锁定节省了大量的设置时间，直观的用户界面使调整参数变得更加简单，”Wade 博士说。 该解决方案的可重构性和可升级性确保它可以适应新的实验，因为他们继续研究天基激光传感技术。
