PDH穩頻系統可以這么簡(jiǎn)單的實(shí)現

一． 簡(jiǎn)介

本實(shí)驗基于Liquid 公司moku：Pro和Stable laser公司的超穩腔系統，實(shí)現了對普通1064nm激光器的PDH穩頻，獲得了正確的調制邊帶和誤差信號，并進(jìn)一步對激光器進(jìn)行鎖頻和PID鎖定優(yōu)化輸出。

二． 理論基礎

腔對于光場(chǎng)的反射率公式如下F(ω)：

r1，r2是前后鏡面的反射率，E為光強，ω，∅為本振頻率和調制頻率。

然后根據這兩個(gè)公式可得從腔反射回的光場(chǎng)Er:

反射光場(chǎng)打到光電探測器中，光電探測器相應的是光功率Pr=ErEr*

經(jīng)過(guò)計算有

上式第一行是直流項；第二行第三行是由載波和邊帶之間產(chǎn)生的干涉項，頻率為Ω；第四行是兩個(gè)邊帶之間的干涉項，頻率為2Ω。

其中頻率為 ?的項中包含了在兩個(gè)載波的參考下，激光頻率偏離腔的諧振頻率的失諧量。提取探測器的交流信息并且和調制頻率的射頻本振源混頻并經(jīng)過(guò)低通后（只剩頻率為 ? 的項和射頻本振源混頻的信號），就可以得到 PDH 技術(shù)的誤差信號。

在載波和腔近似諧振的情況下，邊帶幾乎wan全被反射，即 F (ω ± ?) ≈ ?1，此時(shí)F (ω)F (ω + ?)|* ? F (ω)*F (ω ? ?)| ≈ 2iIm[F (ω)]，

即可以忽略（1）式中的cos?t項，只剩下sin ?t 項。因此可以得到混頻后（混頻時(shí)需要使得本振源的信號和反射信號的相位差保持 90?，以確保得到最大的誤差信號。這可以通過(guò)在某一臂加入移相器或者簡(jiǎn)單的加長(cháng)射頻傳輸電纜的長(cháng)度實(shí)現。）的誤差信號為：

PDH誤差信號

可以看出，若激光頻率和光學(xué)腔共振頻率一致時(shí)，PDH信號經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，當激光頻率大于或小于光學(xué)腔諧振頻率時(shí)，解調信號或正或負，滿(mǎn)足鑒頻特性，可以作為誤差信號使用。

通過(guò)光電探測得到激光和參考腔之間的頻率誤差信號，對激光頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)補償，使之緊緊地鎖定在參考腔的諧振頻率上。這其中，從誤差信號的獲取到最終反饋到激光頻率之間，需要對誤差信號進(jìn)行濾波，放大，平均等處理以后才能對激光頻率進(jìn)行最佳的補償，這個(gè)中間過(guò)程中需要用到環(huán)路濾波器。通過(guò)環(huán)路濾波器反饋到激光器來(lái)保證超穩激光長(cháng)期穩頻。

三． 實(shí)驗內容

1064nm激光器首先經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)隔離器，光學(xué)隔離器的作用是防止返回的光影響光的原有電磁場(chǎng)狀態(tài)。然后來(lái)到一個(gè)分束器，分束器的作用是將一路光用來(lái)做PDH穩頻，另外一路做穩頻后的激光真實(shí)應用。用于PDH的穩頻光路進(jìn)入EOM調制器,再通過(guò)一個(gè)光纖環(huán)路器射入到超精細度超穩腔中，返回信號再耦合到光纖環(huán)路器中，由光纖環(huán)路器的另一端（part3）進(jìn)入到探測器，然后產(chǎn)生反射信號。透射信號在超穩腔出射口位置放置。

Moku：Pro在這個(gè)位置起到了波形發(fā)生器，混頻器，低通濾波器，PID控制器（快反饋給PZT，慢反饋給了溫度反饋）的作用，然而這些功能都集成在了Moku:Pro的Laser Frequency Box功能里面。通過(guò)Laser Frequency Box可以給EOM進(jìn)行調制，也可以產(chǎn)生三角波掃描信號，并同時(shí)監視輸入信號，輸出信號，并與反射信號進(jìn)行混頻產(chǎn)生PDH誤差信號。通過(guò)獲得的反射信號，并對其掃描信號的中間位置，自動(dòng)找到鎖定點(diǎn)，輕輕一點(diǎn)，就可以完成鎖定。再通過(guò)PID進(jìn)行優(yōu)化，即可完更精細的PDH穩頻。

實(shí)驗光學(xué)設計圖和電學(xué)設計如下圖：

超穩腔如下圖

在沒(méi)有加EOM調制的情況下，我們得到了正確的入射信號和反射信號：

加EOM調制后獲得明顯的邊帶

通過(guò)示波器來(lái)觀(guān)察誤差信號，可以看到明顯的誤差信號的產(chǎn)生。

通過(guò)鎖定點(diǎn)鎖定，獲得了過(guò)零軸的誤差信號，并成功鎖定激光器的頻率，再通過(guò)PID的優(yōu)化調整輸出穩定的激光功率。

四． 總結

本文通過(guò)學(xué)習PDH穩頻的基礎理論，了解了誤差信號產(chǎn)生的原理以及數學(xué)表達。在實(shí)驗中，通過(guò)使用1064nm激光器，光學(xué)隔離器，EOM，環(huán)形器，Stable laser 公司的超精細度超穩腔，和Liquid 公司提供的Moku：Pro的laser Frequency Box 功能方便簡(jiǎn)潔的對整個(gè)系統的透射信號，反射信號，誤差信號，以及PID反饋信號的監視和參數的調整，快速的獲得了透射信號，反射信號，PDH信號，以及鎖定后的PDH信號。本系統的搭建快速，簡(jiǎn)便，方便使用者能夠快速入手。

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