實驗名稱：光學(xué)諧振腔的自動重鎖

測試設(shè)備：功率放大器、信號發(fā)生器、STEMlab板、壓電陶瓷等。

圖：STEMlab開發(fā)板

實驗過程：

實驗中用來測試自動重鎖功能的模式清潔器基本參數(shù)如表1所示，將任意信號發(fā)生器輸出的三角波信號頻率設(shè)為42Hz，高壓放大器偏置設(shè)為178/180，調(diào)整光路中的模式匹配透鏡使透射峰峰值達(dá)到最高點，這時高階模會被最大程度地抑制，在腔內(nèi)產(chǎn)生共振的只有基模。

表1：模式清潔器基本參數(shù)

圖2：掃描模式下的誤差信號和透射信號

如圖2中所示，實驗獲得的誤差信號在中心點左右斜率較大，代表其具有較高的靈敏度，是可以用于反饋控制的合格PDH誤差信號。透射信號的最高峰對應(yīng)著誤差信號斜率最大處，此時誤差信號在零點左右波動，光學(xué)諧振腔與參考激光頻率最理想的共振狀態(tài)就是在該點處實現(xiàn)鎖定。找到透射信號的最佳模式后就可以關(guān)閉任意信號發(fā)生器，將誤差信號送入模糊PID控制器，模糊PID控制器輸出信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換和高壓放大器放大后控制光學(xué)諧振腔腔長變換。此時伺服反饋控制回路已經(jīng)形成，控制信號和腔長互相制約，系統(tǒng)進(jìn)入鎖定模式。圖3展示的是鎖定模式下利用FPGA內(nèi)部集成的示波器采集到的光學(xué)諧振腔的直流透射信號以及此時的誤差信號。

圖3：鎖定模式下的誤差信號和透射信號

光學(xué)諧振腔的重鎖機(jī)制是通過計算機(jī)終端的程序使PDH鎖腔系統(tǒng)根據(jù)觸發(fā)條件在掃描模式和鎖定模式之間自動切換來實現(xiàn)的，完整的鎖腔系統(tǒng)模型圖如圖4所示。

圖4：自動重鎖系統(tǒng)框圖

實驗結(jié)果：

連接STELlab板、光學(xué)諧振腔和光電探測器等元器件并使用PDH技術(shù)將光學(xué)諧振腔鎖定到參考頻率，系統(tǒng)進(jìn)入到了鎖定模式，此時開始運行重鎖程序，重鎖程序會在運行期間循環(huán)判斷此時光電探測器采集到的透射信號和FPGA積分器值。為了驗證自動重鎖功能，在鎖定模式下人為手動遮擋入射光束使光學(xué)諧振腔失鎖，光電探測器采集到的直流監(jiān)視透射信號從原本的鎖定位置掉到了地線。圖5是系統(tǒng)從鎖定到失鎖再到重新鎖定的過程，光學(xué)諧振腔在0.9s時失鎖，在3s時又重新鎖定。

圖5：重鎖過程中的直流透射信號

可以看到，通過擋住注入信號光場2秒的實際測試，光學(xué)諧振腔能夠成功自動實現(xiàn)從失鎖狀態(tài)重新回到鎖定模式，且鎖定位置與失鎖前幾乎相同，無需人工操作。經(jīng)過多次實驗測試，系統(tǒng)完成這個過程所需的時間通常不超過2秒，滿足一般實驗時的基本需求。

在實驗中使用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬電路器件有效提升了伺服系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的自動化程度，為實驗人員省去了一些手動調(diào)節(jié)的重復(fù)工作，且在成本和占用空間方面也有很大的優(yōu)勢。但由于數(shù)字電路本身較大的電子學(xué)噪聲、輸出限幅和分辨率有限等因素，其對光學(xué)諧振腔鎖定的控制精度有時仍然不及模擬電路，在鎖定大部分精細(xì)度較低的諧振腔時可以使用FPGA來完成，高精細(xì)度諧振腔的鎖定使用模擬伺服電路則更為合適。

功率放大器推薦：ATA-7030

圖：ATA-7030高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇