Moku:Lab测量仪中锁相放大器用于激光稳频的相位锁定实验

Moku:Lab可用于使用外差检测和主动反馈来稳定两个激光器的相对频率和相位。

考虑以下光学系统，其中主激光器发出的激光与从激光器发出的激光发生干涉，产生频差信号，该频差信号通过光电探测器后转换为差频的电压信号。该频差信号可使用称为偏移锁相技术“锁定”两个激光器的相对相位，该技术可以使用Moku:Lab多功能测量仪上的锁定放大器。

偏置锁定以一定的偏置频率稳定两个或更多个激光器的相对相位。在原理上类似于锁相环的操作，其主要功能是检测两个振荡器之间的相位误差并更新其中一个振荡器的相位，使得它们的瞬时相位误差为零。

Moku:Lab锁相放大器的双相解调器产生的信号与输入信号的相位成比例，该输入信号的相位是相对于偏移频率的参考振荡。误差信号可以路由到专用的PID控制器，以产生控制信号，从而驱动从激光器的频率（或相位）。在大多数情况下，激光的频率可以通过压电换能器（PZT）或电流来控制，也可以使用其他类型的致动器包括电、热和声光调制器，但这里不考虑这些技术。

将Moku:Lab连接到光学系统

1、 将光电探测器的输出连接到Moku:Lab的In 1

2、 将Moku:Lab的Out 1连接到激光器的频率致动器PZT上。您可能希望在Moku:Lab测量仪和激光器之间添加一个低通滤波器，以YZ噪声或提供高于特定频率的额外积分。

配置Moku:Lab进行偏移相位锁定

1、 从Moku:Lab测量仪的iPad应用程序上启动锁相放大器

2、 按界面右上角的“高级设置”图标，选择内部解调，将辅助输出设置为本地振荡器，将PID控制器设置为主输出。

3、 界面现在看起来是这样的：

4、 按程序框图左侧的“In 1”图标，配置系统的输入设置（例如，DC耦合，50Ω输入阻抗和0 dB输入增益）

Tip：增益设置用于Z大化输入信号的动态范围。如果输入信号介于60 mVpp和1 Vpp之间，请选择0 dB增益。如果信号在5 mVpp和60 mVpp之间，请选择+24 dB增益。

5、 将内部参考的解调频率设置为所需的偏移频率。Moku:Lab测量仪支持高达200 MHz的偏移频率，但是这个值可能会受到光电探测器带宽的限制。

6、 将低通滤波器截止频率设置为大约100 kHz。该值将根据反馈环路的闭环带宽而变化。

7、 通过点击滤波器下方的蓝色6 dB文本，将滤波器斜率设置为12 dB/octave。

8、 将解调器设置为R/θ模式，然后点击蓝色“gate”将相位θ连接到输出output。

9、 Z后，根据系统的特定要求配置PID控制器。

您选择的特定增益轮廓线将在很大程度上依赖于多个因素，包括：

（1）     致动器的带宽（例如，对于PZT，可以高达100s of kHz）

（2）     致动器的响应速度（例如，对于PZT，可以是MHz/Volt的量级）

（3）     反馈环路中的外部滤波器（例如，Moku:Lab测量仪的DAC输出和致动器输入之间的低通滤波器）

（4）     通过系统的总传播延迟

通过测量系统中不同元件的传递函数可以简化调节控制器的增益，对于某些组件（例如滤波器），尽管可以从数据表中查看大多数信息例如以Hz/Volt为单位的致动器带宽和响应度，但是您可以使用Moku:Lab测量仪的伯德分析仪（Bode Analyzer）进行测量。

在光电探测器上产生拍频信号

为了抵消相位锁定的两个激光器，它们的频率必须首先足够接近，以便当在光电探测器上受到干涉时产生可见的拍频。这实际上可能难以实现，因为激光器通常对温度非常敏感，这意味着当在不同温度下操作时，两个相同的激光器的频率可以相差高达10s of GHz。幸运的是，大多数激光器都具有热致动器，可用于多个GHz的粗调频率控制。该特征可用于将两个激光器的频率调节到光电探测器的带宽内以产生可见的拍频信号。

检查两个激光器的频率是否在光电探测器范围内的一种方法是使用Moku:Lab测量仪的频谱分析仪，其允许您观察250 MHz范围内的拍频频率。

1、 首先，启动Moku:Lab测量仪上的Spectrum Analyzer仪器并检查光电探测器输出是否连接到Moku:Lab测量仪上的In 1

2、 配置系统的输入设置（例如，DC耦合、50Ω输入阻抗和0 dB输入增益）

3、 将频率跨度设置为250 MHz，将分辨率带宽设置为Min，将Window设置为Hanning。在此配置中，您将能够看到光电探测器带宽内出现的任何拍频信号（假设它小于250 MHz）。

Tip：如果光电探测器的带宽为50 MHz，则应将跨度设置为100 MHz，起始频率为0 Hz，因为它不太可能出现在100 MHz以上。

4、 慢慢调节其中一个激光器的温度。重要的是你不要太快的改变激光器温度，因为热调谐系数超过每°K的GHz，并且当你将激光器的频率转得太快，以至于当拍频信号在光电探测器的带宽范围内时，你无法观察到它。

5、 当两个激光器的频率在光电探测器的带宽范围内时，您应该会在频谱分析仪的显示屏上看到一个峰值移动。提高激光温度通常会降低激光频率，因此，如果您一直提高激光温度，那么当拍频信号可见时，应该会看到拍频频率降低。

当拍频频率达到0 Hz时，它会突然出现增加。这是因为频谱分析仪是单边的，意味着负拍频频率似乎是正的。

重要的是，拍频频率随温度的升高而降低（反之亦然），因为这表明频率差是正的。如果频率差是负的，则需要反转到PZT的反馈控制信号。

6、 当看到拍频信号时，等待激光器温度稳定（可能需要半个小时）才能尝试使用锁相放大器将激光器锁定在一起。

Note：如果没有专门的热控制，两个自由运转的激光器不可能在长时间内保持在彼此的范围内。虽然快速（PZT或电流）致动器会在短期内校正由温度漂移引起的任何频率误差，但它们固有地限制在一定范围内（通常Z好是几百MHz）并且无法校正因温度的随机波动而产生的较大的频率误差。

稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

PDH 锁定技术基本原理图示

主要特色

·       Local oscillator options本机振荡器选项

o   internal LO

o   PLL LO

o   external LO

·       Single Fast PID 独立高频PID

·       Single Slow PID独立低频PID

·       Scan generator 扫描发生器

o   triangular 三角波

o   sawtooth锯齿波

·       auxiliary sine gen辅助正弦信号发生器

·       configurable low pass filter (2 x SOS)可配置的低通滤波器

·       Monitoring options监测选项

o   Inputs输入

o   Outputs输出

o   error signal误差信号

o   demodulation解调

o   scan扫描

o   aux sine辅助正弦

·       conditional triggering条件触发

·       tap to lock点击即可锁定

·       scope scan lock - locks axis to scan for scanning ease范围内扫描锁定

主要特点

·       Block diagram view of the signal processing chain信号处理框图

·       Demodulate signals with internal or external local oscillator使用内部和外部本机振荡器解调信号

·       Scan resonances with sawtooth or triangle waveforms 扫描锯齿波或三角波共振

·       Observe signals at different locations in the signal processing chain using an integrated oscilloscope使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号

·       Quickly lock to any zero-crossing in the error signal using the ‘Tap-to-Lock’ feature  使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。

·       Low-pass filter demodulated signals with up to fourth order infinite-impulse response filters低通滤波器即高达四阶无限冲激响应滤波器解调信号

·       Individually configure high- and low-bandwidth PID controllers for fast and slow feedback可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈

·       Observe signals with respect to the scanning voltage using the ‘Scope-Scan Lock’ feature使用范围内扫描锁定功能观测与扫描电压有关的信号

Key Specifications典型参数

·       Demodulate with frequencies up to 200 MHz with 3.55 µHz resolution

    解调高达200 MHz频率，频率分辨率3.55 µHz

·       Generate modulation signals at up to 200 MHz

    生成高达200 MHz的解调信号

·       Scan resonances with sawtooth or triangle waveforms at up to 1 MHz

    扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振

·       Generate control signals at a sampling rates of 31.25 MSa/s

    以31.25 MSa/s采样率生成控制信号

·       Continuously acquire data at up to 1 MSa/s

    以高达1 MSa/s持续采集数据

·       AC / DC input coupling

    AC / DC输入耦合

·       50 Ω / 1 MΩ input impedance

    50 Ω / 1 MΩ输入阻抗

·       Adjust the low-pass filter cut-off frequency between to 2.081 kHz and 28.13 MHz

    可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

    更多详细介绍，请参见：https://www.liquidinstruments.com/

激光锁定系统广泛用于控制并将激光器的频率与光学频率参考匹配（这通常是光学参考腔或原子跃迁）。这种系统对于高分辨率干涉测量、光谱系统，以及时间和频率标准至关重要。

通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器一般两种情况：（1）锁定系统控制激光器频率且使其等于参考频率，这被称为频率稳定;（2）锁定系统迫使参考频率跟随激光频率，这被称为频率跟踪。无论是用于频率稳定还是频率跟踪，澳大利亚Liquid Instruments公司的Moku都可以实现高性能，高增益的激光锁定系统。

Moku提供先进的设置、采集和诊断功能，使设置和表征激光锁定系统变得更加容易和快捷。此外，Moku Laserlock锁频功能可用于大多数激光器和频率参考比如PDH锁定（Pound-Drever Hall, PDH）、外差偏移锁定（Heterodyne offset phase locking）、RF锁定（RF locking）和抖动锁定（Dither locking）以及稳定连续波激光器的频率。

激光锁定和PDH技术的基础知识

任何激光锁定技术的核心都是测量并提供激光与频率参考之间差异或误差的测量。通常称为“误差信号”，该信号的质量Z终决定了整个锁定系统的精度和准确性。可以说，获得误差信号的Z精确方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技术。已经证明，在反馈系统中使用PDH误差信号可以非常精确地测量激光器或腔体的变化，从而将其用于吸收光谱和引力波检测等无数应用中。PDH误差信号技术有几个关键优势，例如：
1、该技术可以精确地测量并提供了激光和共振腔之间的相位和频率差异
2、该传感技术提供零交叉误差信号，当误差信号为零时代表其零频率差为零。
3、假设所有信号处理都是以数字方式完成的，它避免了模拟电子和解调电路中产生的低频噪声。

这些优点难免需要付出一些代价。为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH技术应用射频调制和解调技术。这大大增加了信号处理系统的复杂性，也使光学系统变得复杂。但是，一旦理解，与PDH系统的优点相比，这些复杂性是微不足道的。

使用Moku：激光锁频/稳频仪器实现激光锁定

Moku：激光锁频/稳频大大简化了通常操作和使用PDH锁定系统的复杂程度。图1示出了PDH激光锁定系统的示例。该装置使用固态Nd：YAG NPRO激光器，其已经与一个中等精细度光学腔准直并模式匹配。随后使用Moku：激光锁频/稳频产生将激光锁定到腔的谐振频率所需的所有信号。

 

图1：PDH激光锁定系统的示例

锁定激光器包括：
1、设置系统（包括准直）。
2、调制激光
3、寻找共振点
4、获得误差信号
5、打开反馈
6、优化锁定

系统设置

为了使系统Z佳地工作，需要确保激光器的出射光与腔的光轴良好准直，并且激光器的模式与谐振器的空间模式很好地匹配。重要的是要注意，未准直或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本不工作。Z后，使用两个光电探测器监测系统；一个光电探测器接收从腔体反射回来的光，另一个接收穿过腔体的光。

连接Moku：Lab输出端

为了应用PDH成功锁腔，需要生成几个信号。
1、调制信号：发送到EOM以产生相位调制边带。
2、主要反馈信号：在这种情况下反馈到激光器的PZT频率控制器。为了驱动激光器的PZT，需要使用高压放大器（HV amp）。
3、次反馈信号（可选）：可通过温度来调节激光频率，温度反馈的动态调控范围较广，但速度较慢。
在这种情况下，调制信号和次反馈信号在Moku：Lab的输出2上生成，并使用Bias-Tee分离。


连接Moku：Lab输入端

光电探测器接收到的反射信号通常包含了产生反馈信号所需的所有信息，将其与输入1连接并作为主要的信号输入通道。第二输入通道可以用来监控任何辅助信号。
1、输入1用作大多数信号处理的主要通道。在该系统中，将光电探测器AC输出连接到Moku：Laser Lock Box的输入1。
2、将透射光信号的直流分量连接到输入2，尽管不是必需的，但其有助于识别和优化锁定系统中的特征。

调制激光

在这种情况下的相位调制是通过向EOM施加正弦电压信号来实现的。调制信号可以辅助振荡器功能来产生。对于该系统，我们将使用10 MHz调制。
1、将辅助振荡器设置为10 MHz。
2、设置辅助振荡器的幅度。务必选择EOM规格范围内的电压。在这种情况下，我们将幅度设置为100 mV。
3、选择Aux Oscillator输出。在此示例中，将Aux示波器设置为输出2。
4、打开输出。

扫描激光频率并找到共振频率

扫描激光频率有助于表征和优化锁定信号。
Moku：Laser Lock Box附带扫描功能。在此示例中，我们将对扫描发生器进行设置，使其输出一个信号并通过输出1传递给PZT传动装置。步骤如下：
1、将“扫描”设置为三角波
2、将幅度设置为500 mV
3、选择扫描信号的输出端，在此示例中为输出1
4、打开输出

 

图2：辅助振荡器用于驱动EOM并创建相位调制边带。

使系统共振信号居中

为了使激光锁定更顺利，我们通常可以在扫描中将共振信号调整到扫描信号的ZY，后续可以通过调整温度控制器的偏移量来实现。
o    调整温度偏移，直到扫描ZX共振频率出现在扫描信号的零值附近。


获取并优化误差信号

为了获得误差信号，从光电探测器接收的RF信号需要用本地振荡器解调。选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。如下：
o    在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。
 

图3：通道A和B分别显示腔的透射响应和经过恢复的误差信号。

手动锁定激光

1、调整共振信号至扫描的ZY.
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、打开PID控制器
4、缓慢降低扫描幅度，直到激光功率达到Z大值。
5、关闭扫描

使用Tap来锁定

1、调整共振信号至扫描的ZY。
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、选择Tap为锁定模式
4、选择需要锁定共振点
 注意：确保反馈的方向正确。

调整和优化锁定

一旦系统锁定，我们可以根据需要优化锁定。这通常意味着调整PID控制器的增益。
要执行此操作，请打开PID控制器菜单：
1、稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。
2、稍微降低比例增益，直到系统停止振荡
3、对积分器和微分器重复此操作（如有必要）
 

图4：当激光器锁定时，透射光的功率（通道A）将处于其恒定的Z大值。误差信号（通道B）也将保持为零。

除了激光锁频/稳频，Moku:Lab还集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、锁相放大器、PID控制器、波特分析仪、数字滤

波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器。

稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

主要特色
（1）本机振荡器选项：内部LO、PLL LO和外部LO
（2）独立快速PID控制器
（3）独立慢速PID控制器
（4）扫描发生器波形：锯齿波和三角波
（5）扫描频率：1 mHz – 14 MHz
（6）可配置的滤波器类型：Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic、Gaussian、Bessel、Legendre。
（7）监测信号选项：输入、输出、误差信号、解调信号、扫描信号等
（8）点击即可锁定
（9）AC/DC输入耦合
（10）50 Ω/1 MΩ输入阻抗
 
主要特点
（1）信号处理框图
（2）使用内部和外部本机振荡器解调信号
（3）锯齿波或三角波共振扫描
（4）使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号
（5）使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。
（6）高达四阶低通IIR无限冲激响应滤波器解调信号
（7）可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈
（8）使用“范围内扫描锁定”功能观测与扫描电压有关的信号

典型参数
（1）解调高达200 MHz的频率，频率分辨率3.55 μHz
（2）生成高达200 MHz的解调信号
（3）扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振信号
（4）以31.25 MSa/s采样率生成控制信号
（5）以高达1 MSa/s持续采集数据
（6）AC / DC输入耦合
（7）50 Ω / 1 MΩ输入阻抗
（8）可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

相关参考介绍

Moku:Lab多功能测量仪之激光锁频/稳频功能介绍，请点击 这里

Moku:Lab多功能测量仪介绍，请点击 这里

Moku Laserlock激光稳频仪功能介绍英文版，请点击 这里

激光锁定系统广泛用于控制并将激光器的频率与光学频率参考匹配（这通常是光学参考腔或原子跃迁）。这种系统对于高分辨率干涉测量、光谱系统，以及时间和频率标准至关重要。

通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器一般两种情况：（1）锁定系统控制激光器频率且使其等于参考频率，这被称为频率稳定;（2）锁定系统迫使参考频率跟随激光频率，这被称为频率跟踪。无论是用于频率稳定还是频率跟踪，澳大利亚Liquid Instruments公司的Moku都可以实现高性能，高增益的激光锁定系统。

Moku提供先进的设置、采集和诊断功能，使设置和表征激光锁定系统变得更加容易和快捷。此外，Moku Laserlock锁频功能可用于大多数激光器和频率参考比如PDH锁定（Pound-Drever Hall, PDH）、外差偏移锁定（Heterodyne offset phase locking）、RF锁定（RF locking）和抖动锁定（Dither locking）以及稳定连续波激光器的频率。

激光锁定和PDH技术的基础知识

任何激光锁定技术的核心都是测量并提供激光与频率参考之间差异或误差的测量。通常称为“误差信号”，该信号的质量Z终决定了整个锁定系统的精度和准确性。可以说，获得误差信号的Z精确方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技术。已经证明，在反馈系统中使用PDH误差信号可以非常精确地测量激光器或腔体的变化，从而将其用于吸收光谱和引力波检测等无数应用中。PDH误差信号技术有几个关键优势，例如：
1、该技术可以精确地测量并提供了激光和共振腔之间的相位和频率差异
2、该传感技术提供零交叉误差信号，当误差信号为零时代表其零频率差为零。
3、假设所有信号处理都是以数字方式完成的，它避免了模拟电子和解调电路中产生的低频噪声。

这些优点难免需要付出一些代价。为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH技术应用射频调制和解调技术。这大大增加了信号处理系统的复杂性，也使光学系统变得复杂。但是，一旦理解，与PDH系统的优点相比，这些复杂性是微不足道的。

使用Moku：激光锁频/稳频仪器实现激光锁定

Moku：激光锁频/稳频大大简化了通常操作和使用PDH锁定系统的复杂程度。图1示出了PDH激光锁定系统的示例。该装置使用固态Nd：YAG NPRO激光器，其已经与一个中等精细度光学腔准直并模式匹配。随后使用Moku：激光锁频/稳频产生将激光锁定到腔的谐振频率所需的所有信号。

 

图1：PDH激光锁定系统的示例

锁定激光器包括：
1、设置系统（包括准直）。
2、调制激光
3、寻找共振点
4、获得误差信号
5、打开反馈
6、优化锁定

系统设置

为了使系统Z佳地工作，需要确保激光器的出射光与腔的光轴良好准直，并且激光器的模式与谐振器的空间模式很好地匹配。重要的是要注意，未准直或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本不工作。Z后，使用两个光电探测器监测系统；一个光电探测器接收从腔体反射回来的光，另一个接收穿过腔体的光。

连接Moku：Lab输出端

为了应用PDH成功锁腔，需要生成几个信号。
1、调制信号：发送到EOM以产生相位调制边带。
2、主要反馈信号：在这种情况下反馈到激光器的PZT频率控制器。为了驱动激光器的PZT，需要使用高压放大器（HV amp）。
3、次反馈信号（可选）：可通过温度来调节激光频率，温度反馈的动态调控范围较广，但速度较慢。
在这种情况下，调制信号和次反馈信号在Moku：Lab的输出2上生成，并使用Bias-Tee分离。


连接Moku：Lab输入端

光电探测器接收到的反射信号通常包含了产生反馈信号所需的所有信息，将其与输入1连接并作为主要的信号输入通道。第二输入通道可以用来监控任何辅助信号。
1、输入1用作大多数信号处理的主要通道。在该系统中，将光电探测器AC输出连接到Moku：Laser Lock Box的输入1。
2、将透射光信号的直流分量连接到输入2，尽管不是必需的，但其有助于识别和优化锁定系统中的特征。

调制激光

在这种情况下的相位调制是通过向EOM施加正弦电压信号来实现的。调制信号可以辅助振荡器功能来产生。对于该系统，我们将使用10 MHz调制。
1、将辅助振荡器设置为10 MHz。
2、设置辅助振荡器的幅度。务必选择EOM规格范围内的电压。在这种情况下，我们将幅度设置为100 mV。
3、选择Aux Oscillator输出。在此示例中，将Aux示波器设置为输出2。
4、打开输出。

扫描激光频率并找到共振频率

扫描激光频率有助于表征和优化锁定信号。
Moku：Laser Lock Box附带扫描功能。在此示例中，我们将对扫描发生器进行设置，使其输出一个信号并通过输出1传递给PZT传动装置。步骤如下：
1、将“扫描”设置为三角波
2、将幅度设置为500 mV
3、选择扫描信号的输出端，在此示例中为输出1
4、打开输出

 

图2：辅助振荡器用于驱动EOM并创建相位调制边带。

使系统共振信号居中

为了使激光锁定更顺利，我们通常可以在扫描中将共振信号调整到扫描信号的ZY，后续可以通过调整温度控制器的偏移量来实现。
o    调整温度偏移，直到扫描ZX共振频率出现在扫描信号的零值附近。


获取并优化误差信号

为了获得误差信号，从光电探测器接收的RF信号需要用本地振荡器解调。选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。如下：
o    在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。
 

图3：通道A和B分别显示腔的透射响应和经过恢复的误差信号。

手动锁定激光

1、调整共振信号至扫描的ZY.
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、打开PID控制器
4、缓慢降低扫描幅度，直到激光功率达到Z大值。
5、关闭扫描

使用Tap来锁定

1、调整共振信号至扫描的ZY。
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、选择Tap为锁定模式
4、选择需要锁定共振点
 注意：确保反馈的方向正确。

调整和优化锁定

一旦系统锁定，我们可以根据需要优化锁定。这通常意味着调整PID控制器的增益。
要执行此操作，请打开PID控制器菜单：
1、稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。
2、稍微降低比例增益，直到系统停止振荡
3、对积分器和微分器重复此操作（如有必要）
 

图4：当激光器锁定时，透射光的功率（通道A）将处于其恒定的Z大值。误差信号（通道B）也将保持为零。

除了激光锁频/稳频，Moku:Lab还集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、锁相放大器、PID控制器、波特分析仪、数字滤

波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器。

稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

主要特色
（1）本机振荡器选项：内部LO、PLL LO和外部LO
（2）独立快速PID控制器
（3）独立慢速PID控制器
（4）扫描发生器波形：锯齿波和三角波
（5）扫描频率：1 mHz – 14 MHz
（6）可配置的滤波器类型：Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic、Gaussian、Bessel、Legendre。
（7）监测信号选项：输入、输出、误差信号、解调信号、扫描信号等
（8）点击即可锁定
（9）AC/DC输入耦合
（10）50 Ω/1 MΩ输入阻抗
 
主要特点
（1）信号处理框图
（2）使用内部和外部本机振荡器解调信号
（3）锯齿波或三角波共振扫描
（4）使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号
（5）使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。
（6）高达四阶低通IIR无限冲激响应滤波器解调信号
（7）可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈
（8）使用“范围内扫描锁定”功能观测与扫描电压有关的信号

典型参数
（1）解调高达200 MHz的频率，频率分辨率3.55 μHz
（2）生成高达200 MHz的解调信号
（3）扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振信号
（4）以31.25 MSa/s采样率生成控制信号
（5）以高达1 MSa/s持续采集数据
（6）AC / DC输入耦合
（7）50 Ω / 1 MΩ输入阻抗
（8）可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

相关参考介绍

Moku:Lab多功能测量仪之激光锁频/稳频功能介绍，请点击 这里

Moku:Lab多功能测量仪介绍，请点击 这里

Moku Laserlock激光稳频仪功能介绍英文版，请点击 这里

Moku:Lab多功能测量仪之相位表可用于测量1kHz到200MHz之间输入信号的相位，精度为1μcycle（1μ周期）。

主要特色
1、测量两个输入信号之间的相位差，测量精度高于1μcycle（1μ周期）
2、在测量相位、频率和幅值之间进行选择
3、以高达125 kSa/s的速率采集数据
4、跟踪频率和相位干扰，Z高可达10kHz

Moku:Lab多功能测量仪之相位表的应用案例

Moku:Lab多功能测量仪之相位表的规格参数

Inputs

Input characteristics

Measurement

Measurement characteristics

7Frequency and phase measurement precision is limited by sampling jitter at low Fourier frequencies.

Saving Data

Saving data

Synthesizer

Synthesizer8

8Where not stated, Phasemeter Synthesizer specifications match those of the Moku:Waveform Generator instrument.

相干拉曼散射显微术(Coherent Raman Scattering Microscopy)是一类植根于拉曼散射的光学显微成像方法，主要包含相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-StokesRaman Scattering, CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)两种方法。CARS/SRS 显微术通过探测目标分子特定的振动来提供成像所需的衬度，通过非线性光学过程大大提高了检测的灵敏度，同时本征地具备三维成像能力。CARS 和 SRS 显微术可以对脂类等不易被标记的物质成像，还可以很好地通过选择振动光谱, 对生物体内特定小分子物质如药物等以及生物大分子如核酸、蛋白质等进行无需标记的成像，因此成为极有潜力的活体(in vivo)成像手段。

拉曼散射是发生在光和分子振动能级间的相互作用。在不满足电子能级共振条件的情况下，分子吸收光子的能量不能完成向电子激发态的跃迁，但是可以到达一个中间态，即虚态。处在虚态的分子会迅速向低能态跃迁，同时发射出一个光子，这就是散射过程，发射出的光子就是散射光。如果散射光子和原来的光子频率相同，称之为瑞利散射(Rayleigh Scattering)。如果分子从虚态向下跃迁时，到达比原来能量高的态，散射光的频率将降低，称之为斯托克斯散射(Stokes Scattering)；相反，如果终态的能量比初态低，那么散射光的频率将升高，称之为反斯托克斯散射(anti-Stokes Scattering)。斯托克斯与反斯托克斯散射统称为拉曼散射(Raman Scattering)。显然，拉曼散射是光的非弹性散射。拉曼散射的截面(cross section)很小，因此自发拉曼散射的信号强度通常很低。能量在分子振动能级和光子之间发生交换，其大小对应振动能级间距，散射光的频率移动(拉曼位移)也因此与分子振动的频率相同。斯托克斯线与反斯托克斯线在光谱上则相对于入射光的频率对称分布。

受激拉曼散射显微镜的工作原理

昊量光电邀您参加2022年01月19日锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍网络研讨会。

由Liquid Instruments研发的Moku系列多功能综合测量仪器在量子光学、超快光学、冷原子、材料科学和纳米技术等领域都有着广泛

的应用，尤其是他的锁相放大器、PID控制器和相位表、激光器稳频功能，单一设备满足实验室多种测量、控制应用需求。在本次网络

研讨会中，您将了解到锁相放大器的基本原理及应用，并提供对应的信号的检测方案介绍。

主办方

上海昊量光电设备有限公司，Liquid Instruments

会议主题

锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍

会议内容

1. 锁相放大器的基本原理

2. 锁相放大器在光学领域的重要应用方向-测量信号振幅（强度）以及相位

3. 如何设置锁相放大器的调制频率和时间常数

4. 应用介绍：超快光谱和锁相环/差频激光锁频

5. 如何通过锁相环来解决锁相放大器测相位时的局限性

6. 问题环节

主讲嘉宾

应用工程师：Fengyuan (Max) Deng, Ph.D.

简介：普渡大学化学博士学位，主要研究非线性光学显微成像方向。

应用工程师：Nandi Wuu, Ph.D.

简介：澳洲国立大学工程博士学位，主要研究钙钛矿太阳能电池。

【新品发布】Moku:Go 仪器套件新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器功能

Liquid Instruments由澳大利亚国立大学物理系教授Daniel Shaddock创立，研发团队成员由澳国立、NASA- JPL、引力波探测科研工作人员组成，致力于简化实验室工作流程来创造更直观、灵活流畅的实验室体验。

Moku:Lab多功能测量仪基于Xilinx FPGA芯片开发，通过免费的APP软件可对硬件上集成的12种不同测量功能的仪器的设置进行随意配置。Moku:Lab多功能测量仪采用可重新配置的硬件设计并结合软件应用的方式，来代替传统的测试测量仪器。可视化iPad APP操作软件允许您通过点击的方式就可以在不同的测量仪器中随意切换，取代了传统的多个测量仪器以及复杂的测量过程，极大地提升了测量的灵活性和流畅性。

Moku:Lab多功能测量仪具备无线网络连接技术，允许用户可以随时随地，甚至可以在办公室或者家里通过无线网络利用手里的移动设备直接控制实验仪器、监控实验测量过程及导出数据。

凭借zhuo越的性能、顺畅灵活的测量及全面的技术支持互动服务，Moku:Lab多功能测量仪已经在20多个国家的高校和科研机构得到应用，并同时将先进的仪器技术传播到大学本科和研究生的实验教学中。下图是澳大利亚国立大学ANU工程学院实验室采用Moku:Lab多功能测量仪进行实验教学的一瞥。

更多Moku:Lab多功能测量仪的详细介绍和应用，我们期待与您的互动交流。

锁相放大器用于生物样品双通道和多仪器模式SRS显微技术的研究

一．简介 

拉曼散射光谱为生物分子的特异性检测和分析提供了化学键的固有振动指纹。那么什么是受激拉曼散射显微镜？受激拉曼散射(SRS)显微技术是一种相对较新的显微技术，是一种相干拉曼散射过程，允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18]，由于相干受激发射过程[1]能产生约103-105倍的增强拉曼信号，可以实现高达视频速率(约25帧/s)[2]的高速成像。SRS显微镜继承了自发拉曼光谱的优点, 是一种能够快速开发、label-free的成像技术，同时具有高灵敏度和化学特异性[3-6], 在许多生物医学研究的分支显示出应用潜力,包括细胞生物学、脂质代谢、微生物学、肿瘤检测、蛋白质错误折叠和制药[7-11]。特别的是，SRS在对新鲜手术组织和术中诊断的快速组织病理学方面表现出色，与传统的H&E染色几乎完全一致[12,13]。此外，SRS能够根据每个物种的光谱信息，对多种组分的混合物进行定量化学分析[6,7,14]。

尽管在之前的研究[17]中已经研究了痛风中MSU的自发拉曼光谱，但微弱的信号强度阻碍了其用于快速组织学的应用。因此，复旦大学附属华山医院华英汇教授 和复旦大学物理学系季敏标教授团队将受激拉曼散射显微技术用于人体痛风组织病理成像[15]。研究人员应用SRS和二次谐波（SHG）显微镜同时表征了晶型和非晶型MSU。在普通光镜下，MSU晶体呈典型的针状。这些晶体在拉曼峰630 cm-1的SRS上很容易成像，当SRS频率稍微偏离振动共振时，表现出了高化学特异性的非共振行为，SRS信号消失。已知SHG对非中心对称结构敏感，包括MSU晶体和[17]组织中的胶原纤维。然而，由于拉曼极化率张量和二阶光学磁化率对晶体对称性[16]的依赖，研究者们发现线偏振光光束在晶体取向上倾向于产生SRS和SHG的强各向异性信号。因此，研究者们对泵浦光束和斯托克斯光束都应用了圆偏振，以消除MSU晶体和胶原纤维的定向效应。

Moku:Pro 的锁相放大器 (LIA) 为受激拉曼散射 (SRS) 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且稳健的解决方案。高质量的 LIA 是 SRS 显微镜实验中具有调制传输检测方案的关键硬件组件。在此更新的案例研究中，我们提供了有关双 LIA 应用程序的更多详细信息和描述。

由于SRS 是一种相干拉曼散射过程，允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18]。它使用两个同步脉冲激光器，即泵浦和斯托克斯（图 1）相干地激发分子的振动。当入射到样品上的两束激光的频率差与目标分子的振动频率相匹配时，就会发生 SRS 过程。振动激发的结果是泵浦光束将失去光子，而斯托克斯光束将获得光子。当检测到泵浦光束的损失时，这称为受激拉曼损失 (SRL) 检测。强度损失 ΔIₚ/Iₚ 通常约为 10 -7 -10 -4，远小于典型的激光强度波动。为了克服这一挑战，需要一种高频调制和相敏检测方案来从嘈杂的背景中提取 SRS 信号[19]。在 SRL 检测方案中，斯托克斯光束以固定频率调制，由此产生的调制传输到泵浦光束由 LIA 检测。

图 1：受激拉曼损耗检测方案。检测到由于 SRS 引起的 Stokes 到泵浦光束的调幅传输。演示的泵浦光束具有 80 MHz 的重复率，Stokes 光束具有相同的 80 MHz 重复率，但也以 20 MHz 进行调制。Δpump 是 LIA 在此检测方案中提取的内容

二．实验装置

使用的激光系统能够输出两个 80 MHz 的激光脉冲序列：斯托克斯光束在 1030 nm，泵浦光束在 790 nm。激光输出也用于同步调制：80 MHz 参考被发送到分频器以生成 20 MHz TTL 输出。这些 20 MHz 输出被使用两次：一次作为电光调制器调制斯托克斯光束的驱动频率，另一次作为外部锁相环的 LIA 输入通道 2（B 中）的参考。泵浦光束由硅光电二极管检测，然后被发送到 LIA 的输入通道 1（In A）。来自输出通道 1（Out A）的信号被发送到数据采集卡以进行图像采集。来自输出通道 2 (Out B) 的信号被最小化（通过调整相移）。

2.1 单通道锁相放大器配置

图 2：典型的锁定放大器配置设置

图 2 演示了用于 SRS 显微镜实验的 LIA 的初始设置。在初始设置时，必须重新获取锁相环。输入均配置为 AC：50 欧姆。通过调整相位度数优化相移 (Df)，直到 Out A zui大化（正值）并且 Out B zui小化（接近零）。探针A显示对应于 DMSO zui高信号峰 (2913 cm-1 ) 的 SRS 信号，并zui大化输出 A 的 103.3 mV。探针B表示正交输出，最小化为零。一旦 LIA 针对校准溶剂进行了优化，样品就可以进行成像了。

图 3：2930 cm -1拉曼跃迁处的 SRS HeLa 细胞图像

图 3 是使用 Moku:Pro 锁相放大器拍摄的 HeLa 细胞图像。显示的图像是从 SRS 图像生成的，拉曼位移为 2930cm-1，对应于蛋白质峰。低通滤波器设置为 40 kHz，对应于 约4µs 的时间常数。可以根据SRS信号大小增加或减少增益。

2.2 双通道成像

Moku:Pro 的 LIA 也适用于实时双色 SRS 成像。这是通过在 SRS 成像中应用正交调制并检测LIA的X和Y输出来执行的。在这种情况下，斯托克斯调制有两个部分：一个 20 MHz 脉冲序列生成SRS信号，另一个 20 MHz 脉冲序列具有90°相移，生成另一个针对不同拉曼波段的SRS信号[3]。由于90°相移，两个通道（Out A和Out B）彼此正交，可以同时获取两个SRS图像而不会受到干扰。

 4：使用正交调制和输出在两个不同的拉曼跃迁下同时获得鼠脑样本的双通道 SRS 图像

图 4 是利用双通道X&Y输出同时在2930 cm -1和 2850 cm -1处生成两个 SRS 图像的代表性图像。

2.3 多仪器模式应用

 在大多数 SRS 显微镜实验中，由于激光器总带宽的限制，光谱范围被限制在大约 300 cm -1左右。绕过这一技术障碍的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长。然而，波长调谐速度很慢，而且对于时间敏感的实验（如活细胞成像）来说往往不够。应对这一挑战的另一种解决方案是引入第三束激光束来扫描不同的拉曼过渡区域。这种能力对于两个光谱区域的同时成像特别有吸引力：一个在指纹区域（例如 约1600 cm-1用于酰胺振动）和一个在CH区域（例如 约2900 cm -1蛋白质）。在 SRL 成像方法中，实验装置由一个斯托克斯光束和两个不同波长的泵浦光束组成。此设置的常用检测方法需要单独的检测器和单独的 LIA。然而，Moku:Pro 的多仪器模式允许部署多个LIA，因此可以在不需要任何额外硬件妥协的情况下实施第二个LIA。

图 5：Moku:Pro 多仪器锁相放大器配置

图 5 演示了LIA 的多仪器模式设置，用于同步 SRS 显微镜实验。对于Slot 1，In 1是di一个光电二极管的检测信号，In 2是参考信号，Out 1是发送到数据采集卡的信号，Out 3被丢弃。对于 Slot 2，In 3 是第二个光电二极管的检测信号，In 2 再次作为参考，Out 2 是发送到数据采集卡的信号，Out 4 被丢弃。此配置仅使用 4 个 Moku 插槽中的 2 个。插槽 3 和 4 未分配，因此可用于进一步的 LIA 或任何其他 Moku 仪器。输入全部配置为 AC：50 欧姆。每个 LIA 插槽（1 和 2）都遵循与单通道 LIA 配置相同的设置。

在三个激光器的情况下，Moku:Pro 的多仪器模式可以配置两个锁定放大器，将系统简化为一个设备，而不会有任何妥协。这使得研究人员可以同时拍摄两张波数差较大的 SRS 图像，利用一个 Moku:Pro 来处理两个光电二极管检测器信号。

图 6：HeLa 细胞 SRS 图像使用多仪器设置在间隔较远的拉曼跃迁处拍摄

图 6 是利用一个Moku:Pro处理两个光电二极管检测器信号同时拍摄两个大波数差的 SRS 图像的代表性图像。

三．结论

 Moku:Pro 的 LIA 为大量 SRS 显微镜实验提供了出色的解决方案。在本文档中，讨论了典型的单通道 SRS 成像、双通道成像和多仪器成像。用户界面允许对提取低强度 SRS 信号进行直观和强大的控制。重要的是 Moku:Pro 的多仪器工具功能允许在多仪器同用的紧凑型系统上进行复杂的成像实验。

图 7：Moku:Pro 在多乐器模式下的使用图像。In 1 和 In 3 分别是插槽 1 和插槽 2 中 LIA 的信号输入。2 中是两个 LIA 插槽的参考。在所示的配置中，Out 1 和 Out 3 是记录的信号，Out 2 和 Out 4 是插槽 1 和 2 的转储信号

参考文献：

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2.Saar BG, Freudiger CW, Reichman J, Stanley CM, Holtom GR, Xie XS. Video-rate molecular imaging in vivo with stimulated Raman scattering. Science. 2010;330:1368-70

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