如(ru)何(he)搭建(jian)激(ji)光(guang)穩頻(pin)的(de)閉(bi)環控制系(xi)統

半(ban)導體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)穩頻(pin)簡介(jie)

簡(jian)介(jie)

窄(zhai)線(xian)寬連續激(ji)光(guang)器(qi)廣泛(fan)應(ying)用(yong)於原(yuan)子、分(fen)子以(yi)及(ji)物理光(guang)學(xue)領域，在(zai)精密測(ce)量設(she)備中(zhong)有(you)著舉(ju)足(zu)輕重(zhong)的(de)作用(yong)。那(na)些(xie)並(bing)不帶有(you)波長(chang)穩頻(pin)技術的(de)激(ji)光(guang)器(qi)，其(qi)短時間(jian)穩定(ding)性(xing)不適合(he)很多(duo)應(ying)用(yong)。本文檔將(jiang)會給(gei)您(nin)介(jie)紹(shao)壹(yi)種簡單而(er)強大(da)的(de)主(zhu)動穩頻(pin)技術，控制並(bing)且(qie)穩定(ding)連續激(ji)光(guang)的(de)波長，使(shi)其(qi)成為(wei)高精細光(guang)學(xue)諧振腔(qiang)。精密光(guang)譜(pu)學和(he)原(yuan)子分(fen)子操控技術得益於(yu)該穩頻(pin)技術，並且(qie)在(zai)過去的(de)幾十(shi)年(nian)發(fa)展迅猛。

影(ying)響激(ji)光(guang)器(qi)頻(pin)率穩定(ding)性(xing)的(de)因(yin)素有(you)很多(duo)：溫度(du)變化(hua)、機械(xie)震(zhen)動、大(da)氣變化(hua)、磁場(chang)等等。穩頻(pin)的(de)本質(zhi)是保(bao)持(chi)諧振腔(qiang)光(guang)程長度(du)的(de)穩定(ding)性(xing)。

下文中(zhong)我(wo)們會介(jie)紹(shao)如(ru)何(he)搭建(jian)激(ji)光(guang)穩頻(pin)的(de)閉(bi)環控制系(xi)統及(ji)其(qi)特點(dian)，和(he)所(suo)需要(yao)的(de)設(she)備。

閉(bi)環控制基(ji)礎(chu)

壹(yi)個(ge)基(ji)本的(de)反饋(kui)控制系(xi)統如(ru)下圖(tu)描述。激(ji)光(guang)器(qi)輸出(chu)的(de)壹(yi)部分光(guang)被(bei)探(tan)測(ce)器(qi)采(cai)集（鑒(jian)頻(pin)器(qi)），輸出(chu)誤差(cha)信(xin)號，伺服控制器(qi)分析(xi)采(cai)樣，並與標準(zhun)頻(pin)率對(dui)比(bi)，自(zi)動調(tiao)節腔(qiang)長(chang)，將(jiang)激(ji)光(guang)頻(pin)率恢(hui)復到特定(ding)的(de)標準頻(pin)率上(shang)，從(cong)而(er)實現穩頻(pin)的(de)目的(de)。

不同的(de)激(ji)光(guang)器(qi)頻(pin)率固(gu)有(you)噪音(yin)以及(ji)線寬(kuan)差(cha)異很(hen)大(da)，主(zhu)要(yao)依(yi)賴於諧振腔(qiang)的(de)設(she)計，增益介(jie)質(zhi)的(de)特性(xing)，以及(ji)壹(yi)些(xie)其(qi)他(ta)參(can)數，比(bi)如(ru)固體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)的(de)泵浦源的(de)波動，機械(xie)振(zhen)動等等。在(zai)半導體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)系(xi)統中(zhong)，較(jiao)大(da)的(de)自(zi)發(fa)輻(fu)射速(su)率也(ye)會帶來頻(pin)率/相(xiang)位(wei)的(de)噪音(yin)。

為(wei)了探(tan)測(ce)到激(ji)光(guang)器(qi)的(de)頻(pin)率的(de)波動，就需要(yao)壹(yi)個(ge)非常穩定(ding)的(de)參(can)考頻(pin)率做比較(jiao)。常用(yong)的(de)做法(fa)是(shi)利用(yong)壹(yi)個(ge)高精細結(jie)構(gou)的(de)法(fa)布(bu)裏(li)—珀(po)羅(luo)腔(qiang)，可(ke)以提(ti)供(gong)壹(yi)定(ding)時(shi)間(jian)內(nei)的(de)穩定(ding)性(xing)。法(fa)布(bu)裏(li)—珀(po)羅(luo)腔(qiang)的(de)共(gong)振頻(pin)率（Vm）取(qu)決於腔(qiang)長(chang)L，可(ke)以表(biao)述為(wei)：Vm = m(c/2L)。諧振腔(qiang)的(de)機械(xie)結(jie)構(gou)隨(sui)著(zhe)時間會有(you)漂移(yi)（長時間(jian)穩定(ding)不會很好），但(dan)是(shi)可(ke)以提(ti)供(gong)很(hen)好的(de)短期穩定(ding)性(xing)（~秒(miao)）。為(wei)了將(jiang)激(ji)光(guang)器(qi)的(de)頻(pin)率緊(jin)緊地(di)鎖在(zai)法(fa)布(bu)裏(li)—珀(po)羅(luo)腔(qiang)的(de)共(gong)振頻(pin)率上(shang)，必須要(yao)能(neng)快速(su)的(de)探(tan)測(ce)到該共(gong)振信號，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)較高的(de)信噪比(bi)SNR。這(zhe)是反(fan)饋(kui)系(xi)統中(zhong)ju有(you)挑戰的(de)地(di)方，而(er)且(qie)會決定(ding)整(zheng)個(ge)系(xi)統的(de)性(xing)能。

PDH實驗圖(tu)，EOM是(shi)電(dian)光(guang)調(tiao)制器(qi)，

PBS：偏(pian)振分(fen)光(guang)鏡(jing)，1/4：四分(fen)之(zhi)壹(yi)波(bo)片

激(ji)光(guang)器(qi)的(de)頻(pin)率和(he)參(can)考共(gong)振頻(pin)率的(de)差異經(jing)過(guo)鑒(jian)頻(pin)器(qi)會轉(zhuan)化(hua)為(wei)電壓(ya)信號，鑒(jian)頻(pin)器(qi)的(de)轉(zhuan)換效(xiao)率D的(de)單位(wei)為(wei)V/Hz。鑒(jian)頻(pin)器(qi)輸出(chu)的(de)電壓(ya)，或者稱(cheng)為(wei)“誤差(cha)信號”，可(ke)以有(you)好幾種方法(fa)獲得。hao的(de)辦(ban)法(fa)是(shi)用(yong)F-P腔(qiang)的(de)相(xiang)位(wei)特性(xing)穩頻(pin)(Pound-Drever-Hall,PDH)。首(shou)先(xian)利用(yong)電光(guang)調(tiao)制器(qi)對(dui)激(ji)光(guang)做相(xiang)位(wei)調(tiao)制，在(zai)激(ji)光(guang)載波兩側產(chan)生兩個振(zhen)幅(fu)相(xiang)等，相(xiang)位(wei)相(xiang)反的(de)邊頻(pin)（忽略高階邊頻(pin)）。F-P腔(qiang)*與(yu)入(ru)射激(ji)光(guang)共(gong)振時，兩邊頻(pin)被(bei)F-P腔(qiang)反(fan)射的(de)強度(du)相(xiang)等，它(ta)們與載頻(pin)產(chan)生拍頻(pin)後的(de)信號大(da)小(xiao)相(xiang)等，相(xiang)位(wei)相(xiang)反，故*抵(di)消，輸(shu)出(chu)誤差(cha)信(xin)號為(wei)零。如果(guo)入(ru)射激(ji)光(guang)與(yu)F-P腔(qiang)不*共(gong)振，兩邊頻(pin)被(bei)F-P腔(qiang)反(fan)射的(de)強度(du)不等，拍頻(pin)後的(de)信號相(xiang)位(wei)相(xiang)反，但強度(du)不等，故(gu)輸(shu)出(chu)誤差(cha)信(xin)號不為(wei)零。誤差(cha)信(xin)號經(jing)過(guo)校(xiao)正(zheng)電(dian)路(lu)輸(shu)出(chu)到腔(qiang)長(chang)控制器(qi)中(zhong)，從(cong)而(er)調(tiao)節激(ji)光(guang)器(qi)諧振腔(qiang)。

PDH穩頻(pin)控制中(zhong)需要(yao)使(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)比較苛(ke)刻(ke)的(de)產(chan)品，New Focus可(ke)以提(ti)供(gong)絕大(da)部分，包括相(xiang)位(wei)調(tiao)制器(qi)(New Focus 型(xing)號4001或者4003)，低噪音(yin)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)（型(xing)號16x1-AC系(xi)列）。

小(xiao)結

上(shang)述穩頻(pin)方法(fa)可(ke)應(ying)用(yong)於New Focus可(ke)調(tiao)諧半導體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)TLB-7100，TLB-6700，TLB-6800系(xi)列。根據上述方法(fa)，自(zi)己搭建(jian)穩頻(pin)系(xi)統，可(ke)以在(zai)壹(yi)定(ding)程度(du)上(shang)提高頻(pin)率穩定(ding)性(xing)，但是(shi)僅僅作為(wei)壹(yi)種穩頻(pin)的(de)開始。如(ru)果(guo)您需要(yao)讓(rang)激(ji)光(guang)器(qi)達(da)到更(geng)*的(de)性(xing)能，那(na)麽(me)您(nin)需要(yao)考慮更(geng)多(duo)因(yin)素，如更(geng)高duan的(de)伺服控制系(xi)統，更(geng)具(ju)穩定(ding)性(xing)的(de)參(can)考諧振腔(qiang)結(jie)構(gou)等。

森(sen)泉為(wei)您的(de)科研事業添(tian)磚加(jia)瓦(wa)：

1）  激(ji)光(guang)控制：激(ji)光(guang)電(dian)流源、激(ji)光(guang)器(qi)溫控器(qi)、激(ji)光(guang)器(qi)控制、伺服設(she)備與(yu)系(xi)統等等

2）  探(tan)測(ce)器(qi)：光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)、單光(guang)子計(ji)數器(qi)、單光(guang)子探(tan)測(ce)器(qi)、CCD、光(guang)譜(pu)分析(xi)系(xi)統等等

3）  定(ding)位(wei)與加(jia)工(gong)：納米(mi)定(ding)位(wei)系(xi)統、微(wei)納運(yun)動系(xi)統、多(duo)維位(wei)移臺(tai)、旋轉(zhuan)臺(tai)、微型(xing)操作器(qi)等等

4）  光(guang)源(yuan)：半導體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)、固體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)、單頻(pin)激(ji)光(guang)器(qi)、單縱(zong)模激(ji)光(guang)器(qi)、窄線(xian)寬激(ji)光(guang)器(qi)、光(guang)通(tong)訊波段激(ji)光(guang)器(qi)、CO2激(ji)光(guang)器(qi)、中(zhong)紅(hong)外(wai)激(ji)光(guang)器(qi)、染料(liao)激(ji)光(guang)器(qi)、飛秒超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)器(qi)等等

5）  光(guang)機(ji)械(xie)件(jian)：用(yong)於光(guang)路(lu)系(xi)統搭建(jian)的(de)高品(pin)質(zhi)無(wu)應(ying)力光(guang)機(ji)械(xie)件(jian)，如(ru)光(guang)學(xue)調(tiao)整(zheng)架(jia)、鏡架(jia)、支(zhi)撐(cheng)桿(gan)、固定(ding)底座等等

6）  光(guang)學(xue)平(ping)臺(tai)：主(zhu)動隔振(zhen)平(ping)臺(tai)、氣浮隔(ge)振(zhen)臺(tai)、實驗桌(zhuo)、剛性(xing)工作(zuo)臺(tai)、面包板(ban)、隔振(zhen)、隔磁、隔(ge)聲綜(zong)合(he)解決(jue)方案等等

7）  光(guang)學(xue)元件：各類(lei)晶體(ti)、光(guang)纖、偏(pian)轉(zhuan)鏡、反(fan)射鏡(jing)、透射鏡(jing)、半(ban)透半反鏡、濾(lv)光(guang)片、衰減片、玻(bo)片等等

8） 染(ran)料(liao)：激(ji)光(guang)染(ran)料(liao)、熒光(guang)染(ran)料(liao)、光(guang)致(zhi)變色染(ran)料(liao)、光(guang)致(zhi)發光(guang)染(ran)料(liao)、吸收(shou)染料(liao)等等