如何使用Moku:Pro的激光锁频/稳频器来优化PDH激光稳频控制

使用Moku:Pro的激光锁频/稳频器来优化PDH激光稳频控制

Moku:Pro 激光锁频/稳频将Proud-Drever-Hall ( PDH )激光锁频技术所需要的多种重要电学组件集成进一个仪器中，在保证最佳性能的前提下让激光锁频过程比以往更加地容易。本应用笔记包含 PDH 锁频原理，概述使用 Moku:Pro 激光锁频/稳频来锁定一个激光器的频率到高精细度光学腔的过程，同时展示了使用这种锁频技术时激光频率稳定度显著提高的结果。

Pound-Drever-Hall 激光锁频技术

在标准实验室环境中，激光频率会因为如周围环境温度、输入电流和量子波动等一系列原因而发生漂移。因此，在一些使用激光进行精确测量的应用中，例如引力波探测、原子物理和分子痕量气体检测，激光稳频是一个必要的过程。有多种方法可以用于实现激光稳频，最常见的方法之一就是将激光频率锁定到一个具有稳定机械结构装置的光学参考腔的腔长。Pound-Drever-Hall (PDH) 方法就是其中一种方法。它使用激光反射光强度信号的导数作为误差信号来锁定激光频率到光学腔的谐振频率并抑制频率的波动[1]。

当将激光器锁定到光学腔时，激光只有在其整数倍波长和光学腔体的往返距离长度相匹配时才能透过腔体。这也正是从光学腔反射出的光最小的时候。图1显示了反射光强度、激光频率和光学腔谐振频率的相对应关系。由于反射光强度在谐振频率周围时对称并且在光学腔谐振频率上下均为正值，如果激光频率朝着远离光学腔谐振频率的方向漂移，从反射光强信号无法确定激光频率是需要增加还是减少，因此反射光信号很难在一个反馈系统里直接作为误差信号使用。然而，由于反射光强度的最小点，反射光信号的导数在谐振频率两侧的过零点是反对称的。当激光频率低于谐振频率时为负，当激光频率高于谐振频率时为正。反射光强度的导数可以通过对激光频率引入窄调制（也称为抖动）来进行测量。PDH 技术正是使用激光反射光强度的导数作为误差信号来动态调节激光频率，以匹配光学腔的谐振频率。

图 1：光腔反射光强度与激光频率的关系 [2]

图2说明了激光锁频系统的组件和布局。激光频率由本机振荡生成的信号通过电光调制器(EOM)调制。光电探测器捕捉反射光信号，并且通过混频器用本振来解调它的输出信号。混频后的信号通过低通滤波器分离出直流分量或者极低频分量和调制频率的二次谐波。该直流分量用作误差信号，不仅可以确定系统离谐振频率有多远，也可以明确指示从哪个方向可以将系统调回谐振频率点。误差信号然后被传递到伺服放大器或者比例-积分-微分(PID)控制器并进入激光器的调节端口，锁定激光到光学参考腔。