就实验物理学而言，激光是 20 世纪最重要的发明之一。自 1960 年首次演示激光器以来，它们已在世界各地的研究实验室中无处不在，构成了现代光学和量子研究的基石。激光稳定，也称为激光锁定，是优化最尖端应用激光器性能的关键步骤。在本文中，我们将了解激光器为何有用、为何需要稳定激光器，并解释激光锁定技术。
什么是激光？
激光器的主要特点是它发出单色且相干的光，形成光束。借助这些稳定、相干的光源，用户可以研究感兴趣的特定频率并聚焦并将激光束引导到需要的地方。这种能力使得激光器对于驱动原子跃迁、传输信息、执行显微镜检查以及许多其他应用非常有用。激光器现在是各个领域的重要组成部分，从 量子光学 和 暗物质探测 至 拉曼光谱.
为什么激光频率稳定很重要？
尽管表面上是稳定的光源，但实际上激光器非常容易受到环境因素的影响，例如源电流波动、温度变化、机械振动和组件老化。这会导致激光的频率或相位随着时间的推移而漂移。对于需要精确且可重复测量的应用来说，这是一个必须解决的问题。幸运的是，研究人员已经开发出几种稳定或“锁定”激光频率的方法。
激光如何稳定？
有几种不同的方法可以稳定激光器。最常见的一种是 庞德-德雷弗-霍尔 （PDH）技术。如图 1 所示，该设置需要激光源、电光调制器 (EOM)、射频合成器、光电二极管和频率解调器（通常是一个 锁相放大器）。最后一个组件用作频率参考，是一个带有高反射镜的光学腔或标准具。高反射率确保腔体具有极窄的线宽。
图 1：典型的 PDH 激光锁定设置。
PDH 过程的目标是扫描激光频率，直到其与腔的频率匹配，然后使用反馈环路将激光锁定到该频率。激光源产生光束后，通过EOM进行相位调制。在这种情况下，射频源生成的调制频率通常高于腔体的线宽。此后，光束将具有三个频率分量，由原始信号加上两个边带组成。
当调制信号进入光腔时，根据其频率，不同比例的信号将被反射或传输。从某种意义上说，腔体将调频光束转换为调幅光束，稍后可以使用 锁相放大器。此外，反射信号的相位还取决于频率分量是高于还是低于空腔谐振。反射光束和边带之间的干扰产生复杂的频率分布 — 请参阅 PDH 锁定的数学基础 此处 - 但结果是产生一个“误差项”，可以通过使用锁定放大器以相同频率解调来恢复。
要找到锁定点，首先扫描激光的中心频率。然后，计算每个点的误差信号。完成后，扫描将显示误差信号的三个零交叉，对应于每个频率分量与腔谐振的点。误差信号的符号和幅度决定了激光频率偏离腔谐振的程度。这些信息可以通过伺服反馈给激光器进行调整，形成闭环反馈系统。
PDH激光锁定方式有哪些优点？
与其他激光稳定技术（例如边缘锁定）相比，PDH 锁定具有几个明显的优点。首先，生成的误差信号具有与之相关的符号，它允许用户确定激光频率是高于还是低于腔频率。这意味着您可以将激光直接锁定到腔谐振上并校正频率，无论它向哪个方向漂移。其次，误差信号与入射激光功率无关，这意味着强度波动不会向系统添加噪声。最后，误差信号作为频率的函数在谐振附近近似线性，这是反馈环路运行的有用机制。
什么是激光锁盒？
激光锁盒是一种实现从调制到PID反馈的完整PDH过程的工具。在软件定义的情况下 木库激光锁盒，它用单个全数字仪器取代了独立的射频发生器、移相器、解调器、滤波器和 PID 控制器，消除了物理组件引入的模拟噪声和插入损耗。 Moku 激光锁箱通过使用 莫库：应用程序 和整合 示波器/电压表，您可以在一个屏幕上检查调制、错误或 PID 信号的状态，并在任何过零处选择锁定点。其他功能包括有助于找到解调最佳点的数字移相器，以及向激光器提供反馈信号的完全集成的快速和慢速 PID 控制器。 Moku 激光锁盒减少了 PDH 激光锁定系统的物理占地面积和技术复杂性，同时为最终用户实现了流程自动化。
图 2：Moku：应用程序中查看的 Moku 激光锁盒。误差图上的圆圈代表过零，可以通过锁定辅助将其选为锁定点。
观点和额外资源
使用 PDH 方法稳定激光并锁定激光频率是实施先进光学实验的先决条件。 Moku 激光锁盒等灵活工具可减少激光锁定系统的尺寸和复杂性，消除任务的麻烦和重复性，从而改善用户体验，节省宝贵的时间。
查看以下应用说明和案例研究，了解 Moku 激光锁盒的实际应用。
了解如何使用适用于 Moku 设备的激光锁箱简化 Pound-Drever-Hall 激光锁定技术。
了解如何使用软件定义的仪器对窄线宽激光系统进行同步锁定和表征。
了解研究人员如何通过消除重复、耗时的任务来加速信号表征目标。
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