在科学实验和智能制造中，激光已经成为精密测量、通信和探测等领域重要工具。对激光噪声特性的有效抑制与精确控制是提升实验精度的关键一环。澳大利亚国立大学（ANU）引力天体物理中心的 Avanish Kulur Ramamohan 团队致力于通过差分测量和读取方式来提升测量精度，同时可以减小相对频率噪声，以提升测量精度和系统稳定性。该方法避免依赖昂贵且庞大的超稳定参考腔或高精度激光器，为计量学、引力波探测和量子通信等前沿研究做出了贡献。

在这类实验系统通常面临挑战在于抑制激光频率噪声，该团队使用共模噪声抑制办法，在实验中部署多个性能相近的激光器，并进行差分测量和读取方式来提升测量精度，同时可以减小相对频率噪声。通过 Moku:Pro 激光锁频/稳频器实现了对这些性能相近激光器的稳频操作，以此来抑制低频噪声（图1）。此办法在精密测量更广泛应用场景的适配性，也为传感技术和基础物理研究突破奠定了基础。

图1：具有四个 PLL 的光学锁相装置示意图（转载自论文）

Liquid Instruments Moku 设备由澳大利亚国立大学引力波探测团队研发。旨在提供一套集成度高且可定制的设备，同时实现高精度、低噪声的测试测量平台。借助Moku激光锁频/稳频控制器，该团队同时实现四个激光器之间的相位锁定，进一步抑制激光器低频噪声，还能支持大范围的频率偏移调谐。再者，稳频不再只是单一需求，Moku 同时提供了频响分析仪、相位表等其他仪器来应对锁频成功后对环路特性表征、相位噪声检测的需求。这极大提升了实验结果的完整性，对整个系统的环路性能有更全面的认识。

应用挑战

激光频率噪声尤其在低于 1 Hz 范围内的极难抑制。在使用多个独立激光器的系统中，不相关的频率扰动制约了测量信噪比，这进一步会降低测量精确度。这些扰动不可避免地存在于每一个激光锁频试验系统，如果想将它们从环境噪声中区分出来，并保持长时间的稳定会变得非常困难。

图1：具有四个 PLL 的光学锁相装置示意图（转载自论文）

Liquid Instruments Moku 设备由澳大利亚国立大学引力波探测团队研发。旨在提供一套集成度高且可定制的设备，同时实现高精度、低噪声的测试测量平台。借助Moku激光锁频/稳频控制器，该团队同时实现四个激光器之间的相位锁定，进一步抑制激光器低频噪声，还能支持大范围的频率偏移调谐。再者，稳频不再只是单一需求，Moku 同时提供了频响分析仪、相位表等其他仪器来应对锁频成功后对环路特性表征、相位噪声检测的需求。这极大提升了实验结果的完整性，对整个系统的环路性能有更全面的认识。

应用挑战

激光频率噪声尤其在低于 1 Hz 范围内的极难抑制。在使用多个独立激光器的系统中，不相关的频率扰动制约了测量信噪比，这进一步会降低测量精确度。这些扰动不可避免地存在于每一个激光锁频试验系统，如果想将它们从环境噪声中区分出来，并保持长时间的稳定会变得非常困难。

Moku 独有的 MiM- 多仪器并行模式，可以同时部署4个激光锁频/稳频器，每一个都可以实现独立的锁相环。利用这一特性，团队可以在实验核心环节保持整个系统精确相位控制，最大限度降低实验设备的复杂程度和成本，并提升系统的稳定性与可扩展性。

实验结果

借助 Moku:Pro，在保持反馈控制稳定性的同时，实现了稳定、低噪声的相位锁定，并且实现了如图 3a 所示的宽调谐范围。一个关键性实验结果表明，在调节本机振荡器频率的过程中，即便在 ±100 MHz 的调谐范围内，锁定依然保持不中断，测得的频率偏移时序图如图 3b 所示。传统手动调节或者其他模拟系统不可能在本地振荡器上获得这么大的可调范围，这特别得益于 Moku:Pro 自身的低本底噪声表现。

图 3：PLL 锁相环内和环外拍频信号的频率偏差测量。图 3(a) 中的测量结果采用 Moku 相位表进行测量，图 3(b) 中的锁相环外拍频信号频率偏差的时序测量结果采用 NI 5761 进行测量。（转载自论文）

在 MiM - 多仪器并行模式下运行的激光锁频/稳频器（如图 4 所示）帮助团队克服了多种固有和性能方面的挑战，实现了精确的相位锁定，且噪声性能和稳定性都远优于其他方案。利用相同方法，他们开始使用 Moku:Pro 的激光锁频/稳频器进行 PDH 锁频，并预计在今年晚些时候获得更多实验成果。

图4：测试机柜，配有各种测试测量设备，包括两台 Moku:Lab 和一台 Moku:Pro ，位于机架中间层。上方两个 iPad 屏幕上可以看到激光锁频/稳频器，左下方iPad 屏幕上可以看到频率响应分析仪的幅频响应检测图。

另一个关键仪器是 Moku PID 控制器，它内置的双积分器在低频段实现了高增益。这一仪器属性让频率噪声抑制能力达到更高水平。团队也因此获得其他同类设备所不具备的能力和他们想要的频率噪声性能表现。

应用前景  

团队的研究不仅解决了高精度测量领域长期存在的技术难题，还为未来在引力传感、计量学以及量子系统等方向的研究提供了可扩展的参考模型。  目前，他们正搭建扭摆振荡器（TorPeDO）系统，并通过 Moku:Pro 激光锁频/稳频器，同时对四台激光器执行 PDH 锁频，实现对牛顿噪声 - 即引力梯度噪声的直接测量，并精确控制测量用激光器的频率，使其紧密跟随 TorPeDO 腔长的变化（图5）。

图5：ToRPeDO 系统原理图。Moku:Pro 实现了反馈控制、低通滤波器、混频器和用于 PDH 锁定的本机振荡器

稳定、低噪声的激光让科研人员能够捕捉更微弱的信号。在 TorPeDO 项目中，这意味着对引力梯度变化的更精确追踪，为基础物理研究、量子通信和精密计量提供了强大的新工具。Moku:Pro 在实验中很好展现了灵活仪器平台与高影响力物理研究之间的强大联合，不仅简化了传统复杂实验架构，也让科研人员能够快速测试新思路、加速实验迭代，把更多精力投入到科学发现，而非陷入硬件调试的困境。

Moku:Pro 已成为该引力物理实验室不可或缺的工具——在一台可重构设备中实现高性能相位锁定、低频噪声抑制以及高度集成化的系统控制。

Moku:Delta - 更多维度、更复杂需求的解决方案

在本文实验中，Moku:Pro 已然表现出色，实现了激光稳频和低频噪声抑制，并满足了多种关键实验需求。随着实验的深入和日益变化的实验需求，该团队也将进一步采用Moku:Delta 同时锁定更多台激光器、处理更宽频谱噪声或实现更精确时序同步等任务。Moku:Delta 不仅继承了 Moku 软件定义的灵活性，在通道数量、带宽、噪声性能和并行能力上实现了全面升级：  

1. 它提供8个模拟输入和8个模拟输出通道，高达 2 GHz 带宽，这使研究人员能够在单一平台上更快地处理更多的信号并行高速实时控制；

2. 内置 GNSS 驯服信号实现 1 ppb 稳定度，带来更强的时序同步能力；

3. 更低的本底噪声表现：< 10 nV/√Hz；

4. MiM – 多仪器并行模式升级至支持8个仪器同时运行，Moku:Delta 可以轻松应对更多路锁相需求，同时完成复杂的表征和控制，现在都可以在一台设备上完成，进一步优化实验设备系统的搭建；

Moku:Delta 不仅为科研人员提供能够快速重构测试系统平台，优化整体实验性能与提升效率，并将先进的测量与控制技术延伸至智能制造、量子通信和引力波探测等领域，推动从基础科研到产业应用的全链条创新。

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参考文献

[1] A. Kulur Ramamohan, S. S. Y. Chua, Y. Zhang, M. J. Yap, J. Wright, N. A. Holland, P. W. F. Forsyth, and B. J. J. Slagmolen, "Characterization of heterodyne optical phase locking for relative laser frequency noise suppression in differential measurement," Opt. Express 32, 39793-39803 (2024)