24年4月更新，2023
在本应用笔记中，我们概述了 PDH激光锁定方式 以及Moku:Lab激光锁箱仪器的实际使用来实现PDH激光锁定系统。此方法也与 Moku:Go 和 Moku:Pro 激光锁盒兼容。
Pound-Drever-Hall 激光锁定与 Moku:Lab
通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器允许两种情况：（1）锁定系统控制激光频率等于参考频率，这称为频率稳定； (2) 锁定系统强制参考频率跟随激光频率，称为频率跟踪。 无论是用于频率稳定还是频率跟踪，Liquid Instruments 的激光锁盒都旨在协助高性能、高增益激光锁定系统。 Moku:Lab 激光锁盒提供先进的设置、采集和诊断功能，可以更轻松、更快速地设置和表征激光锁定系统。
激光锁定和 PDH 技术的基础知识
任何激光锁定技术的核心都是提供激光和频率参考之间的差异或误差的测量。 通常称为“错误信号”，该信号的质量最终决定了整个锁定系统的精度和准确度。 可以说，获得误差信号的最精确方法之一是 Pound-Drever-Hall (PDH) 技术。 在反馈系统中使用 PDH 误差信号已被证明可以极其准确地测量激光器或腔体的变化，从而使其在吸收光谱和引力波探测等无数应用中得到使用。 PDH 错误信号技术具有几个关键优势，例如：
- 该技术提供了激光和腔谐振之间的相位和频率差异的高度准确和精确的测量。
- 感测技术提供具有对应于零误差信号的零频率差的过零误差信号。
- 假设所有信号处理都以数字方式完成，它避免了模拟电子设备和解调电路中产生的低频噪声
这些优势确实是有代价的。 为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH 技术采用射频调制和解调技术。 这增加了信号处理系统的相当大的复杂性以及光学系统的一些复杂性。 但是一旦理解，与 PDH 系统的优势相比，这些复杂性就显得微不足道了。
使用 Moku:Lab 激光锁盒进行激光锁定
Moku:Lab 激光锁盒旨在大幅降低通常与操作和使用 PDH 锁定系统相关的复杂性。 图 1 说明了 PDH 激光锁定系统的示例设置。 该装置使用固态 Nd:YAG NPRO 激光器，它与中等精细腔对齐并模式匹配。 Moku:Lab 激光锁盒随后用于产生将激光锁定到腔共振所需的所有信号。
图1： PDH激光锁定系统示例
锁定激光器包括：
- 设置系统（包括校准）。
- 调制激光
- 以共振为中心
- 获取误差信号
- 锁定激光
- 优化锁频效果
设置系统
为了使系统以最佳方式运行，重要的是要确保激光束与腔的光轴良好对齐，并且激光的模式与谐振器的空间模式良好匹配。 重要的是要注意，未对准或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本无法工作。 最后，系统使用两个光电探测器进行监控； 一个光电探测器接收从腔反射回来的光，另一个接收穿过腔的光。
连接 Moku:Lab 输出
要生成成功的 PDH 锁定，需要生成多个信号。
- 调制信号； 发送到 EOM 以产生相位调制边带。
- 初级反馈信号； 在这种情况下，反馈到激光器的 PZT 频率控制。 为了驱动激光器的 PZT，使用了高压放大器 (HV amp)。
- 二次反馈信号（可选）； 用于反馈到激光器的热控制。 温度反馈通常具有更大的范围，但调节软件速度慢且粗略。
在这种情况下，调制信号和次级反馈信号在 Moku:Lab 的输出 2 上生成，并使用 Bias-Tee 分开。
连接 Moku:Lab 输入
来自光电探测器的反射信号通常包含创建反馈信号所需的所有信息。 该信号连接到输入 1 以进行大部分信号处理。 第二个输入通道能够监控任何辅助辅助信号。
- 输入 1 用作大多数信号处理的主要通道。 在这个系统中，光电探测器的交流输出连接到 Moku:Lab 的输入 1。
- 传输信号的直流分量连接到输入 2。虽然不是必需的，但直流信号有助于识别和优化锁定系统中的功能。
调制激光
在这种情况下，相位调制是通过向 EOM 施加正弦电压信号来实现的。
调制信号可以通过利用产生 辅助振荡器 特征。 对于这个系统，我们将使用 10 MHz 调制音调。
- 将 Aux 振荡器设置为 10 MHz。
- 设置辅助振荡器的振幅。 请务必选择 EOM 规格范围内的电压。 在这种情况下，我们将振幅设置为 100 mV。
- 选择辅助振荡器输出。 在此示例中，将辅助示波器设置为输出 2。
- 打开输出。
扫描激光频率并找到共振
扫描激光频率极大地有助于表征和优化锁定信号。
Moku:Lab 激光锁盒中集成了扫描功能。 在本例中，我们将扫描发生器设置为向 PZT 致动器输出信号（输出 1）。 去做这个：
- 将扫描设置为三角波形
- 将振幅设置为 500 mV
- 选择要将扫描信号发送到的输出。 在此示例中，输出通道设置为输出 1
- 打开输出
图2： 辅助振荡器用于驱动 EOM 并创建相位调制边带。
以系统共振为中心
为了在设置激光锁时更容易，我们通常可以将共振集中在扫描的中间，并调整应用于温度控制器的偏移量。
调整温度偏移，直到共振特征出现在扫描的 0 处。
获取和优化误差信号
要获得误差信号，需要使用本地振荡器对从光电探测器接收到的射频信号进行解调。 选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。 为此，在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。
图3： 通道 A 和 B 分别显示腔体的传输响应和从腔体恢复的误差信号。
锁定激光器
手动锁定激光器
- 将共振集中在扫描上。
- 设置快速 PID 控制器。 （仅使用具有 ~10 Hz 极点的积分器可能很有用，因为稍后可以优化响应）
- 打开 PID 控制器
- 慢慢降低扫描幅度，直到激光功率达到最大值。
- 关闭扫描
使用点击锁定
- 将共振集中在扫描上。
- 设置快速 PID 控制器。 （仅使用具有 ~10 Hz 极点的积分器可能很有用，因为稍后可以优化响应）
- 选择点击锁定模式
- 点击您想要锁定的共振
注意：确保反馈的方向正确。
调整和优化您的锁具
一旦系统被锁定，我们就可以优化锁定。这通常意味着调整 PID 控制器中的增益。
为此，请打开 PID 控制器菜单：
- 稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。
- 稍微降低比例增益，直到系统停止振荡
- 对积分器和微分器重复此操作（如有必要）
图4： 当激光器被锁定时，发射功率（通道 A）将处于其恒定的最大值。
误差信号（通道 B）也将保持为零。
结论
Moku:Lab 激光锁盒提供了一种具有直观控制的一体式激光锁定仪器。 通过替换独立的波形发生器、移相器、解调器、滤波器和 PID 控制器，Moku:Lab 实现了高性能激光锁定解决方案。
参考文献
[1] Danielle MR Wuchenich、Christoph Mahrdt、Benjamin S. Sheard、Samuel P. Francis、Robert E. Spero、John Miller、Conor M. Mow-Lowry、Robert L. Ward、William M. Klipstein、Gerhard Heinzel、Karsten Danzmann , David E. McClelland 和 Daniel A. Shaddock，“GRACE 后续任务的激光链路采集演示”，选择。 快递 22, 11351-11366 (2014)
[2] Moku:Lab 任意波形发生器用户手册，网址为 https://www.liquidinstruments.com/products/integrated-instruments/waveform-generator/
