由 Benoit Debord、Fetah Benabid、Thomas Billotte、Clément Goïcoechéa 提供
总结
在 XLIM 研究所，气相光子和微波材料 (GPPMM) 小组的研究人员正在进行空心光子晶体光纤 (HC-PCF) 领域的实验。 激光稳定对他们的实验至关重要，在这里他们展示了在 D 上完成的稳定2 饱和吸收得到铷85蒸气的跃迁。 Moku:Pro 具有 4 个模拟输入和输出以及多个可访问的软件定义仪器，提供了一个多功能工具，只需一个设备即可实现这一点。
挑战
为了观察铷亚多普勒透明度，光学和电气装置由商用铷 (Rb) 电池组成，充当饱和吸收光谱 (SAS) 模块，产生吸收信号。 780nm 左右的可调谐激光器在电光调制器 (EOM) 和波长计之间分配。 为了稳定激光器、控制 EOM 和测量艾伦方差，需要几种不同的仪器。
图 1. 上图：带有 Moku:Pro 电气连接的光学设置，以青色表示。 Moku:Pro 输入在左边，输出在右边。 底部：Moku:Pro 多仪器模式配置，带有波形发生器、激光锁盒和相位计。
解决方案
Moku:Pro 的多仪器模式允许 XLIM 研究人员同时配置多台仪器，在这种情况下充当波形发生器、锁定放大器、双 PID 控制器和艾伦方差数据采集。 这是使用波形发生器、激光锁盒和相位计仪器实现的。 波形发生器通过连接到电光调制器的 Moku:Pro 的第一个输出（此处由于法语设置而命名为“Sort 1”）调制探测激光束的光频率。 该函数发生器还链接到激光锁盒的第二个入口，该锁盒组装了锁相放大器和 PID 控制器，用于信号混合、解调和激光锁定应用。 激光锁盒还连接到光电二极管信号（SAS 模块），其中来自 Rb 单元（Moku:Pro 的第一个输入，“Ent 1”）的探测光束具有亚多普勒透明度。 激光锁盒的两个输出通道（A 和 B）将用于激光伺服控制（“Sort 2”）和扫描（“Sort 3”）。 然后，Phasemeter 仪器被用作采集工具，用于锁定激光器的光电二极管直流信号监测和测量 Allan 方差，这是稳定质量的代表。
第一个使用的模块是波形发生器，如图 2 所示，以 500 kHz 的频率调制探测激光束。 如果需要，可以在仪器的输出 B 上使用第二个波形发生器（参见图 1，底部），可能与输出 A 相关的同相信号。
图 2：波形发生器仪器界面在顶部显示生成的函数。 此处未使用底部生成器通道（紫色）。
激光锁盒参数如图 3 所示。输出和输入 A 和 B 都对应于图 1 中所示的参数。输入 A 对应于具有调频多普勒透明度的光电二极管信号，输入 B 对应于来自波形的调制信号发电机。
图 3：激光锁盒和用于信号监控的集成示波器的框图。 每个电子元件都可以通过在 iPad 屏幕上点击来设置。 选项卡（未显示）可用于扫描参数以及外部振荡器。
首先，我们在图 4 中显示了未锁定的激光直流信号，其测得的 RMS 约为 13 mV。 为了锁定亚多普勒功能，我们将激光扫描设置为 35 Hz、14 mV 和 Moku:Pro，通过激光锁盒的输出 B（图 3 中的“排序 B”）路由到输出 3 物理连接器（图 3 中的“排序 1”）。 扫描偏移直接在二极管控制器上设置。 我们在输入 B 上设置锁相环 (PLL)，并使用截止频率设置为 2 kHz 的 70 阶低通巴特沃斯滤波器解调信号。 我们获得了一个错误信号（图 3 中的红色曲线），我们使用该信号在 Moku:Pro 上可用的“点击锁定”图标的帮助下锁定我们的激光器（在图 3 中注释）。 通过单击示波器上的红色圆圈来设置锁定。
图 4：具有默认参数的 PID 快速控制器。 激光直流信号以红色显示，直接来自光电二极管。
然后，锁定信号通过快速 PID 控制器（图 3 中的输出 A 和图 3 中的物理连接器类别 1）发送到激光器的电流控制，并使用图 5 中所示的 PID 参数进行优化。
图 5：具有优化参数的 PID 快速控制器。 锁定的直流信号以红色表示，直接来自光电二极管。
我们设置了不同的参数，例如比例增益和积分器（图 5 的顶部）。 如果需要，也可以使用双积分器、微分器以及用于积分和推导的饱和器。 这些参数的优化是通过降低图 4 和图 5 底部测量的直流信号的 RMS 来实现的。实际上，比例增益会增加，直到信号开始振荡，然后在之前设置。 对积分器进行相同的操作，然后根据需要对微分器频率进行操作。 我们重复这个循环，直到获得良好的性能，以优化“短期”锁。 一旦优化完成并且激光器被锁定，我们就可以通过测量其艾伦偏差来表征激光器的稳定性。
测量Allan方差，我们可以简单地使用Phasemeter仪器直接观察稳定激光器的Allan方差。 这些测量值可以保存到 iPad、USB 或云端以供分析。 但是，保存的数据对应于原始信号频率、相位和幅度，因此需要检索艾伦方差。 这也可以使用 Python 代码完成，如本应用笔记中所述， 测量艾伦偏差：使用 Moku:Lab 相位计的艾伦偏差指南.
结果与结论
Moku:Pro 具有用户友好的界面，是一款多功能工具，可让我们测量、分析和使用信号。 将波形发生器、激光锁盒和相位计仪器与多仪器模式相结合，使我们能够在这里解决 780 nm 左右铷蒸气的亚多普勒光谱，除了 Moku:Pro 之外没有其他设备，然后将激光频率锁定在丁2 Rb 转变。
