Moku:Pro 激光稳频在XLIM研究所气相光子和微波材料团队应用案例

日期：2022-10-24 浏览量：565

▍概述                          

在XLIM研究所，气相光子和微波材料（GPPMM）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，在这里他们展示了锁定在Rb85原子D2线饱和吸收光谱上的稳定性。Moku： Pro具有4个模拟输入和输出以及多个可访问的软件自定义仪器，提供了一种只需一个设备即可实现这一目标的多功能工具。

▍挑战

为了观察铷的亚多普勒透射率，光学和电气装置由一个商用铷（Rb）原子参考池组成，该元素作为一个能产生饱和吸收光谱（SAS）的模块。780nm的可调谐激光器输出分束输出至电光调制器（EOM）和波长计。为了稳定激光器、控制EOM和测量阿伦方差，需要几种不同的仪器。

图1，上图：Moku:Pro的光学设置以青色表示的电气连接。Moku：Pro输入在左侧，输出在右侧。

        下图：Moku：Pro多仪器模式配置，波形发生器、激光锁频和相位计。

▍解决方案

Moku: Pro的多仪器模式允许XLIM研究人员同时配置多个仪器，在这种情况下作为波形发生器、锁相放大器、双PID控制器和数据采集器可用于测量阿伦方差。在本台仪器中，可通过组合波形发生器、激光锁频和相位计仪器实现。波形发生器通过Moku: Pro的第一个输出（由于法语设置，此处命名为“排序1”）调制探测激光束的光频率，该输出与电光调制器相链接。该发生器还与激光锁频的第二个入口相链接，该入口组合了锁相放大器和PID控制器，用于信号混合、解调和激光锁定应用。激光锁频还与光电二极管信号（SAS模块）相连接，其中探测光束的的亚多普勒透明度来自于铷元素（Moku: Pro的第一个输入，“Ent 1”）。激光锁频的两个输出通道（A和B）将用于激光伺服控制（“排序2”）和扫描（“排序3”）。然后，相位计仪器被用作用于锁定激光器的光电二极管直流信号监测和测量艾伦方差的采集工具，也代表了稳频质量。

使用的第一个模块是波形发生器，如图2所示，用于以500 kHz频率调制探头激光束。如果需要，可以在仪器的输出B（见图1下图）上使用第二个波形发生器，其可能具有与输出A相关的同相信号。

图2：上图显示生成函数的波形发生器仪器界面。这里不使用下图生成器通道（紫色）。

激光锁频参数如图3所示。输出和输入A和B都对应于图1所示。输入A对应于具有调频多普勒透明的光电二极管信号，输入B对应于波形发生器的调制信号。

图3：激光锁频以及用于信号监控的集成示波器的系统图。每个电子元件都可以通过点击iPad屏幕进行设置。一个选项卡（未显示）可用于扫描参数，以及一个外部振荡器。

首先，我们在图4中显示了未锁定的激光直流信号，其测量的RMS为~13 mV。为了锁定亚多普勒特征，我们使用Moku： Pro将激光扫描设置为35 Hz、14 mV，通过激光锁频的输出B（图3中的“排序B”），该输出B被链接到输出3物理连接器（图1中的“排序3”）。扫描的偏移直接在二极管控制器上设置。我们在输入B上设置一个锁相环（PLL），并使用截止频率设置为70 kHz的2阶低通巴特沃斯滤波器解调信号。通过使用Moku： Pro上提供的“轻敲锁定”图标锁定激光（在图3中注释），我们获得一个误差信号（图3中的红色曲线）。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1中的物理连接器排序3）发送到激光器的电流控制，并使用图5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的上图）。如果需要，还可以使用双积分器、微分器和用于积分和推导的饱和度。这些参数的优化是通过降低图4和5下图测量的DC信号的RMS来实现的。事实上，比例增益会增加，直到信号开始振荡，然后在这之前设置。对积分器进行相同的操作，然后在需要时调整微分器频率。我们重复这个循环，直到达到良好的性能，以优化“短期”锁定。一旦优化完成并且激光被锁定，我们就可以通过测量其阿伦偏差来表征激光稳定性。

为了测量阿伦方差，我们可以简单地使用相位计仪器直接观察稳定激光器的阿伦方差。这些测量结果可以保存到iPad、USB或云端进行分析。然而，保存的数据原始信号的频率、相位和振幅相关，从而可追溯。

▍结果&结论

凭借用户友好的界面，Moku： Pro是一款多功能工具，可让我们测量、分析和使用信号。结合波形发生器、激光锁频和相位计仪器以及多仪器模式，使我们能够只用Moku:Pro就可将780nm激光器锁定在Rb原子D2线上。