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Il Moku:Pro Laser Lock Box integra diversi componenti elettronici cruciali della tecnica di blocco laser Pound-Drever-Hall in un unico strumento, rendendo il processo di blocco laser più semplice che mai senza compromettere le prestazioni. Questa nota applicativa illustra i principi del bloccaggio PDH, delinea la procedura per il bloccaggio di un laser ad alta precisione a una cavità utilizzando il Moku:Pro Laser Lock Box e presenta i risultati che dimostrano il netto miglioramento della stabilità della frequenza del laser quando si utilizza questa tecnica di bloccaggio.
Tecnica di blocco laser Pound-Drever-Hall
In un ambiente di laboratorio standard, la frequenza di un laser può subire una deriva dovuta a una serie di fattori, come la temperatura ambientale, la corrente iniettata e le fluttuazioni quantistiche. La stabilizzazione della frequenza laser è quindi un processo necessario nelle applicazioni che utilizzano i laser per condurre misure precise, come il rilevamento delle onde gravitazionali, la fisica atomica e il rilevamento di tracce di gas molecolari. Esistono diversi metodi per eseguire la stabilizzazione della frequenza laser: uno dei più comuni è quello di bloccare la frequenza del laser a una cavità ottica di riferimento con una configurazione meccanica stabile. Il metodo Pound-Drever-Hall (PDH) è uno di questi metodi. Utilizza la derivata dell'intensità laser riflessa come segnale di errore per bloccare la frequenza del laser alla risonanza della cavità e sopprimere le fluttuazioni di frequenza [1].
Quando si aggancia un laser a una cavità, la luce del laser può passare attraverso la cavità solo quando un numero intero della sua lunghezza d'onda corrisponde alla lunghezza di andata e ritorno della cavità. Questo è anche il punto in cui la luce riflessa dalla cavità è minima. La Figura 1 mostra la correlazione tra l'intensità riflessa e la frequenza del laser rispetto alla risonanza della cavità. Tuttavia, può essere difficile utilizzare questo segnale come segnale di errore in un sistema di retroazione, poiché l'intensità della luce riflessa è simmetrica intorno alla risonanza ed è positiva sia sopra che sotto la risonanza della cavità. Se la frequenza del laser si allontana dalla risonanza della cavità, è impossibile sapere se la frequenza del laser deve essere aumentata o diminuita. Tuttavia, a causa del minimo dell'intensità del segnale riflesso, la derivata della luce riflessa avrà un passaggio a zero con polarità diversa su entrambi i lati della risonanza. È negativa quando la frequenza è inferiore alla risonanza e positiva quando la frequenza del laser è superiore alla risonanza. La derivata dell'intensità riflessa può essere misurata introducendo piccole modulazioni alla frequenza del laser, note anche come dithering. La tecnica PDH utilizza la derivata dell'intensità riflessa rispetto alla frequenza del laser come segnale di errore per regolare dinamicamente la frequenza del laser in modo che corrisponda alla risonanza della cavità.
Figura 1: L'intensità della luce riflessa da una cavità ottica in funzione della frequenza del laser [2]
La Figura 2 illustra i componenti e il layout di un sistema di blocco laser PDH. In questo caso, la frequenza viene modulata con un modulatore elettro-ottico (EOM) pilotato dall'oscillatore locale. Un fotorivelatore cattura la luce riflessa e la sua uscita viene demodulata con l'oscillatore locale tramite un mixer. Il segnale misto viene quindi fatto passare attraverso un filtro passa-basso per separare la componente DC, o a bassissima frequenza, dalla seconda armonica della frequenza di modulazione. Questa componente DC viene utilizzata come segnale di errore, che fornisce un'indicazione inequivocabile non solo di quanto il sistema sia lontano dalla risonanza, ma anche della direzione in cui è necessario effettuare le regolazioni per ripristinare la risonanza. Il segnale di errore viene quindi inviato a un servoamplificatore o a un controllore proporzionale-integrale-derivativo (PID) e alla porta di sintonizzazione del laser, bloccando il laser alla cavità.
Figura 2: Diagramma a blocchi della tecnica di blocco PDH [3]
Moku:Pro Laser Lock Box
Il processo di blocco PDH tradizionale richiede diversi strumenti elettronici dedicati e personalizzati, tra cui generatori di segnale, mixer, filtri passa-basso, servosistemi e oscilloscopi. Il Moku:Pro Laser Lock Box integra la maggior parte dell'elettronica PDH in un unico strumento compatto e facile da usare, in grado di fornire un blocco di frequenza laser di alta precisione. Include un generatore di forme d'onda per la scansione e la modulazione della frequenza del laser, un mixer e un filtro passa-basso per la demodulazione del segnale di errore e due controllori PID in cascata per fornire i segnali di controllo veloci e lenti agli attuatori del laser, come i controllori piezoelettrici o di temperatura. Utilizzando l'oscilloscopio integrato, gli utenti possono anche monitorare la risposta di scansione della luce riflessa e visualizzare i segnali PDH in tempo reale (Figura 3).
Figura 3: Interfaccia utente principale del Moku:Pro Laser Lock Box
Impostazione sperimentale
In questo esperimento abbiamo utilizzato il Moku:Pro Laser Lock Box per bloccare un laser in una cavità ad alta precisione. La Figura 4 illustra il sistema di stabilizzazione del laser PDH con Moku:Pro.
Figura 4: Illustrazione dell'impostazione sperimentale della tecnica PDH con il Moku:Pro Laser Lock Box
Un laser in fibra Coherent Mephisto S (1064 nm) è stato modulato da un modulatore elettro-ottico (EOM) e reindirizzato in una cavità lineare plano-concava di 10 cm (finezza 100.000). Due fotorivelatori (PD) sono stati posizionati per rilevare la luce trasmessa e riflessa dalla cavità. I segnali rilevati sui PD sono stati inseriti nell'ingresso 1 di Moku:Pro per il segnale riflesso (ingresso del mixer) e nell'ingresso 2 per il segnale trasmesso (monitor). L'uscita 1 del PID veloce è stata quindi collegata direttamente al piezo del laser per attuarne la frequenza, mentre l'uscita 2 del PID lento è stata collegata al controllo della temperatura del laser.
La Figura 5 illustra la configurazione e le impostazioni della Laser Lock Box. Un oscillatore locale (LO) con un'ampiezza di 500 mVpp a circa 2,885 MHz è stato generato con il generatore di forme d'onda Moku:Pro Laser Lock Box. Il segnale LO è stato quindi inviato dall'uscita 3 di Moku per pilotare l'EOM. Lo stesso segnale LO è stato utilizzato anche per demodulare la riflessione della cavità utilizzando un mixer implementato digitalmente seguito da un filtro passa-basso Butterworth digitale del 4° ordine con una frequenza d'angolo di 300,0 kHz. Utilizzando la funzione di scansione integrata del Moku:Pro Laser Lock Box, abbiamo impostato il generatore di scansioni per emettere un segnale all'attuatore PZT (uscita 1) a una frequenza di 10 Hz. Con il segnale di scansione attivato, abbiamo potuto visualizzare il segnale di errore PDH utilizzando il punto di sonda dell'oscilloscopio integrato all'uscita del filtro. Quindi, abbiamo regolato gli offset applicati al regolatore di temperatura e centrato la risonanza al centro della scansione. Per ottimizzare ulteriormente il segnale di errore, abbiamo anche regolato la fase dell'oscillatore locale fino a ottenere un segnale di errore simmetrico e con un intervallo lineare massimo intorno alla risonanza per il blocco. In questo esempio, uno spostamento di fase di circa 113,6 gradi ha fornito il miglior segnale di errore. Abbiamo configurato il controllore PID veloce con un guadagno proporzionale di -27 dB, una frequenza di crossover dell'integratore di 7,5 kHz e una frequenza di crossover del doppio integratore di 70,60 Hz. Il controllore PID lento è stato configurato con una frequenza di crossover dell'integratore di 4,883 mHz.
Figura 5: Configurazione del controllore PID veloce
Per attivare il blocco PDH, abbiamo ridotto gradualmente l'ampiezza di scansione, quindi abbiamo attivato in sequenza i controllori PID veloci e lenti. Come funzione avanzata, gli utenti possono anche attivare il blocco configurando gli stadi di blocco o utilizzando la funzione Lock Assist. Questa funzione consente all'utente di selezionare un attraversamento dello zero del segnale di errore demodulato come punto di blocco, che attiverà automaticamente il controllore PID veloce e bloccherà la frequenza del laser alla risonanza della cavità. Abbiamo quindi disattivato la saturazione dell'integratore per allineare la frequenza del laser alla frequenza DC della cavità.
Risultati e discussione
Utilizzando i punti della sonda dell'oscilloscopio incorporato, è stato possibile misurare l'RMS del segnale di errore e ottimizzare il guadagno complessivo del loop, come mostrato nella Figura 6. Aumentando il guadagno si potrebbe ridurre al minimo l'RMS del segnale di errore, ma un guadagno eccessivo può causare oscillazioni, mentre un guadagno troppo basso significa che le variazioni della frequenza del laser non vengono sufficientemente soppresse.
Figura 6: RMS del segnale di errore misurato
Gli utenti possono ottimizzare ulteriormente le prestazioni dell'anello verificando la risposta dell'anello chiuso utilizzando la funzione Multi-instrument Mode di Moku:Pro. Moku:Pro può iniettare un disturbo sinusoidale spazzato con l'analizzatore di risposta in frequenza tra l'uscita 1 di Moku:Pro e il piezo laser utilizzando un preamplificatore sommatore e misurare la soppressione di questa perturbazione iniettata all'interno del loop.
Abbiamo verificato le prestazioni dell'anello di controllo ottimizzato utilizzando un test con una cavità e due laser. Un secondo laser è stato agganciato alla cavità un intervallo spettrale libero (FSR) sopra il blocco del primo laser con una seconda configurazione identica di Moku:Pro Laser Lock Box. Con un blocco a due frequenze indipendenti, i due laser sono stati confrontati con un rumore di cavità comune identico, ma con un rumore elettronico indipendente e un rumore di frequenza del laser non correlato. La variazione di frequenza residua tra questi due laser bloccati era indipendente dal rumore del distanziatore della cavità, dal rumore termico dei rivestimenti della cavità e dalle vibrazioni comuni dell'ambiente di laboratorio. Questo rumore, dovuto solo all'anello di controllo e ai sensori, è stato misurato combinando la luce di entrambi i percorsi laser in un fotorivelatore ad alta velocità, miscelando il tutto con un generatore di funzioni in GHz stabile e utilizzando lo strumento Phasemeter di Moku:Lab per tracciare le deviazioni di frequenza. La Figura 7 confronta il rumore di frequenza prima e dopo il blocco del laser alla cavità con Moku:Pro. La stabilità del sistema è migliorata di circa sei ordini di grandezza a 0,001 Hz. Anche il rumore di frequenza si è ridotto a 10-2Hz/√Hz.
Figura 7: Rumore di frequenza della nota battuta prima (blu) e dopo (arancione) l'inserimento del blocco
Ringraziamenti
Desideriamo ringraziare Andrew Wade, Kirk McKenzie, Emily Rees, Namisha Chabbra, Jue Zhang e l'Australian National University per averci fornito i dettagli del loro esperimento, la spiegazione di come hanno utilizzato Moku:Pro e il feedback su questa nota applicativa.
Riferimenti
[1] P. Drever et al., Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator, vol. 31, Appl. Phys.B., I983, pp. 97-105.
[2] E. D. Black, An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization, vol. 69, American Association of Physics Teachers., 2000, pp. 79-87.
[3] Z. Chang Liu et al., Far Off-Resonance Laser Frequency Stabilization Technology, Appl. Sci., 2020.
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