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光学锁相环

相关产品: MFLI + PID, UHFLI + PID

应用描述

光学锁相环可以同步两个(激)光源的相对相位差,这项技术的目的是为了实现两个光场拥有可调谐的频率差,但是相位差保持不变。基于光学锁相环的应用通常有:

相干拉曼跃迁

利用两个已知波长的相干光场将原子或者分子的两个不同能级与第三个(虚)能级联结,为了实现诸如拉比振荡的粒子数迁移,稳定实验中激光器之间的相对相位差是至关重要的。

相干克隆,多激光器传递锁定(激光稳定)

光学锁相环能够将一台激光器的相干特性传输给另一台激光器,例如其频率以及相位稳定特性,通过足够高带宽的伺服控制另一台激光器,能够减小受控激光器的噪声。在实际应用中,多台子激光器可以通过一台具有高度相干性的主激光器进行稳定控制。

光梳

为了实现作为“光学尺”的光梳,必须精确测量光学重复频率与载波包络相移。重频可以通过光学腔长度直接算得。而就载波包络相移而言,通常利用f-2f干涉仪在光梳的高频和低频之间产生一个拍频(如果光谱足以覆盖一个倍频程),随后利用泵浦能量驱动的反馈信号来精确控制载波包络相移。

相干功率组合

利用OPLL同步多台激光实现相干功率组合,构建相干相长或者相消的相位整列光学系统,激光雷达以及波束控制等应用。

两束光的相位差通常是利用一块分束器或者合束器合成的光学拍频信号通过光电探测器测得的。紧接着电锁相环产生一个稳定拍频信号,并输入射频振荡器,射频振荡器输出反馈信号用来调节系统中的频率或者相位漂移部分。此部分可以是激光器中的组件或者外部组件例如声光调制器。

测量策略

Application diagram of an optical phase-locked loop using the Zurich Instruments UHFLI Lock-in Amplifier

从信号分析和控制的角度来看,示意图中的光学系统实际上十分易懂并且可以用压控振荡器(VCO)替代显示。VCO输出一个由输入量决定的频率信号。 VCO的主要特征是当变化控制电压时频率会随之变化。随后的任务即是将VCO输出的相位与另一个具有相位检测功能的参考振荡器测得相位作比较,例如一台锁相放大器。基于两个相位的比较,锁相放大器向VCO控制电压提供反馈输出使得VCO能够追踪参考振荡器。如果想实现稳定且平滑的控制,需要考虑的几点是:

  • 高伺服带宽:根据激光器以及其他部分的特性,必须事先知道系统所需的带宽。而带宽也并非越大越好,太大的带宽会导致激光器噪声变大。
  • 对于系统的快速锁定与稳定运行来说,相位展开是十分重要的。而大多数相位检测器只能进行 ±π/2 范围内的相位锁定。任何超越 ±π/2 范围的失真都可能导致系统的不稳定。
  • 好用的用户界面:使用合适的参数是稳定运行的重要步骤。

选择Zurich Instruments的优势

  • 相位展开至 ±1024π 使得光学锁相环稳定运行。
  • 考虑到相位噪声,您需要很高的的伺服带宽。而UHFLI锁相放大器能够保证高达100 kHz的伺服带宽。
  • PID智能参数设定功能可以根据VCO模型设置激光适用的初始参数。
  • 一旦达成光学锁相,您就可以使用自动调节流程继续优化PID参数尽可能缩小PID误差。
  • LabOne® 工具集包括示波器、频谱分析仪、参数扫描仪以及绘图仪,可以对锁相结果进行综合分析以及实时监测。例如,您可以将PID误差以高斯分布点状直方图的形式可视化,判断实验装置是否符合预期。
  • UHFLI的600 MHz频率范围能够覆盖参考激光器与被锁定激光器之间的巨大频差扫描的需求。

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Publications

Klenner, A. et al.

Phase-stabilization of the carrier-envelope-offset frequency of a SESAM modelocked thin disk laser

Opt. Express 21, 24770-24780 (2013)

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