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。