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基于Moku:Lab激光锁盒的PDH技术,激光稳频一体化解决方案

更新时间:2022-04-08 点击次数:1167

基于Moku:Lab 激光锁盒的PDH技术,一种基于FPGA的激光稳频一体化解决方案

在这篇应用文章中,讲述了一个我们上海昊量光电设备有限公司真实的故事,我们的一个客户如何用Moku:Lab替换了几个复杂的电子设备,并使用Pound-Drever-Hall (PDH)技术将Innolight Prometheus激光器的频率锁定在一个超稳腔内。的Moku:Lab产品。

 

一. 介绍

Pound-Drever-Hall(PDH)技术是一种主动锁频技术,是目前激光稳频系统中性能好的手段之一,由 R.V. Pound,Ronald Drever 和 John L在19831年提出的。利用Fabry-Perot(F-P)腔稳频的激光系统是最常见的一种稳频方法。当激光被射入一个F-P腔中时,它会被反射、透射或吸收,腔的长度越接近激光器的精确波长的一半,激光器的能量就会被传输的越远。不幸的是,激光的频率和腔长的连续变化取决于一系列的因素,如环境温度、注入电流和量子波动。PDH锁定利用从谐振腔反射出来的光来产生一个误差信号,来对谐振腔的长度或激光器的频率进行微调,从而完成腔长和激光频率的某种匹配,以达到最大限度地实现远距离传输。

 

根据框图简单说一下PDH技术,激光器输出频率为ω的激光,然后经过EOM晶体(electric-optical modulator)电光调制器,对激光光场进行射频电光相位调制,然后将调制后的激光信号经过偏振分束棱镜(PBS)与四分之一波片(λ/4)进入光学腔,然后与光学腔谐振,然后通过反射到达光电探测器,偏振分束棱镜(PBS)与四分之一波片(λ/4)的作用就是让腔反射光进入探测器。然后对反射光信号进行相位解调,得到反射光中的频率失谐信息,产生误差信号,然后通过低通滤波器和比例积分电路处理后,反馈到激光器的压电陶瓷或者声光调制器等其他响应器件,进行频率补偿,最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。关于PDH技术的理论细节可以在一些综述论文和学位论文中找到。为了实现PDH锁定,需要一些专用的和定制的电子仪器,包括信号发生器,混频器和低通滤波器。Moku:Lab的激光锁盒集成了大部分的PDH电子仪器,在提供高精度的激光稳频功能上是具有紧凑的,易于使用的仪器。

图1:PDH稳频系统原理图

 

二. 实验装置

Moku:Lab的激光锁盒集成了波形发生器、混频器、低通滤波器和用于PDH锁定的双级联PID控制器。通过调节激光腔的长度,可以监测反射光的振幅,并在屏幕上实时显示PDH信号。用户只需轻轻一敲就可以将激光锁定在任何过零点。

图2: 主用户界面Moku:Lab激光锁盒

 

在一个示例设置中,Prometheus激光器(Innolight, 20NE)的出射光由电光调制器(EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1)调制,照射到由三镜环形腔(168 mm,即1.78 GHz的FSR),此腔体线宽为190 kHz。反射光被输入耦合器即时反射捕获。用两个光电二极管(PD, Thorlabs, PDA05CF2)来检测腔体的透射光和反射光。PD上检测到的信号被输入到Moku:Lab的输入1(混频器输入,交流耦合电阻50 Ω)和输入2(监视器,直流耦合电阻50 Ω)。利用Moku的激光锁盒波形发生器,在3.0 MHz的频率下产生了500 mVpp的本振(LO)信号。然后LO信号从Moku:Lab的输出2输出,通过偏置器 (miniccircuits, ZFBT-6G+)驱动EOM。用LO数字信号波形解调来自光学腔的反射响应信号,这里我们用到了数字混频器和角频300.0 kHz的四阶数字低通滤波器。通过扫描空腔共振的激光频率,调整相位延迟,直到误差信号峰-峰电压(斜率)最大,从而调整混频器处LO信号的相移。

 

快速PID控制器的积分器单位增益频率(0 dB点)为5.8 kHz,初始积分器饱和角为100 Hz。然后将快速PID的输出1直接连接到激光器的压电陶瓷上来驱动激光频率。在扫描模式下,该输出也会产生斜坡信号来发现空腔谐振。低频PID控制器的比例增益为-32.2 dB,积分器交叉频率为200 mHz。Moku:Lab的输出2出来后通过Bias-Tee分成了两路,一路到了EOM,一路到了激光的温度控制BNC接口端。在该激光温度致动器上放置了一个20dB的衰减(Minicircuits, HAT-20+),以降低其灵敏度。

图3:利用Moku:Lab建立的PDH技术的实验装置

 

三. 利用Moku:Lab进行的PDH激光稳频

为了锁定PDH,PDH读出信号首先在激光锁定模式下由斜坡扫描产生。缓慢的温度偏移被调整,以使空腔共振接近扫描范围的中间。轻触一下界面中间的过零点选择为锁定点。这用到了快速PID控制器,并且把激光频率锁定在腔中。然后关闭积分器饱和,使激光频率达到腔体的直流频率。然后使用慢速控制器,这样排除了激光器的压电转换器(PZT)在低于0.1 Hz频率下的控制工作,并确保激光器在大环境范围变化(办公室/实验室)的条件下保持锁定。

 

图4:PDH误差信号绘制和点击锁定过零点示意图

 

图5:PID控制器配置示意图

 

四. 结果和讨论

通过监控传输的光电探测器功率,并通过ccd相机(也可以使用红外敏感观察卡)查看传输过程中的激光模式形状,来验证激光对腔和TEM00模式的锁定。这些监测信号的时域信息很容易在Moku:Lab的激光锁盒功能内置的示波器中实时查看。

利用内置的示波器测量特性来捕捉误差信号均方根RMS,对整个环路的增益进行了基本优化。增加增益使误差信号的均方根最小;太多的增益会引起振荡,太少的增益意味着激光频率扰动仍然没有得到充分的抑制。进一步的环路性能改进可以通过频域优化来实现,这可以通过在Moku:Lab输出1和激光压电之间注入扫频正弦扰动来实现,激光压电使用了求和前置放大器,并可以测量回路中注入扰动的抑制。这样的测量可以进行使用第二个Moku:Lab的功能:频率响应分析仪。在这些高度优化的配置中,环路的单位增益频率应该优化到30-60 kHz(高于这通常相对于激光的压电响应速度快很多)。

 

在一次测试中,使用单腔双激光测试验证了控制回路的性能。第二个激光器被锁定在腔内一个自由光谱范围(FSR)上,第一个激光器的锁与第二个具有相同的Moku:Lab激光锁盒设置。在两个独立频率的锁定下,比较了两种激光器在相同的普通腔的噪声,独立的电子噪声和Moku数字化噪声。这两种锁定激光器之间的剩余频率变化与腔间隔噪声、腔涂层的热噪声和来自实验室环境的常见振动无关,这种噪声仅由控制回路和传感器产生,测量方法是将来自两个激光路径的光结合到一个高速光电探测器中,与一个稳定的GHz函数发生器混频,并使用第三个Moku:Lab仪器,一个相位表,来跟踪频率偏差。Moku:Lab相位表通过产生相对频率噪声的ASD来读出剩余频率噪声。我们得到了在每个环路10 Hz的情况下,控制回路的残余噪声是0.1 Hz/ Hz。腔激光锁模的真实绝对性能最终受到基频热涂层噪声的限制。

 

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