【博采众议】PDH锁频原理简介
发布时间:2021-08-06 00:00:00 编辑:特约撰稿:李文奎 编辑:麓帮主 阅读次数:89

作者简介

 

李文奎,硕士毕业于山西大学光电研究所量子测量和通信实验室(QMC),主要研究非经典光场和量子测量方向。所在团队为山西大学郜江瑞老师课题组。

 

PDH稳频方法简介

 

激光稳频技术可以提高激光频率的稳定度或改善光学谐振腔的输出稳定性,广泛应用在量子通讯、引力波探测以及精密光谱和光钟的实验系统中。在量子光学系统中,为了减小激光器输出激光的频率漂移,通常将激光频率锁定在某一稳定的参考频率上,以期获得长期频率稳定的激光源。尤其在非线性光学系统中,通常选用一些特殊的光学谐振腔实现激光频率变换或制备光子数态、压缩态、纠缠态等各种非经典态,在这些实验系统中,同样需要锁定光学谐振腔的腔长,以获得稳定的信号光场输出。另外,该技术也应用在各类光学探测系统中,来锁定光束间的相对相位,如平衡零拍探测中锁定本底光和信号光之间的相对相位、马赫-曾德尔干涉仪中锁定两臂光束之间的相对相位等。综上所述,激光稳频技术在各类光学系统中发挥着越来越重要的作用[1]
激光频率稳定有多种方法,主要分为被动稳频和主动稳频。稳频技术的精度受工艺或外界环境的影响,被动稳频可以通过精确控制温度或提高工作台机械稳定性等方法来得到较好的稳定度,但要想将稳定性再提高几个量级,则必须采用主动稳频技术,主动稳频指的是选取一个稳定的频率参考标准(常见的频率参考标准有:兰姆凹陷,谐振腔和饱和吸收谱等),当外界影响使激光频率偏离标准频率时,采用电子伺服系统鉴别出来并自动调节腔长,使激光频率回复到特定的标准频率上,达到稳频目的。同其他稳频方法相比,基于谐振腔的PDH(Pound-Drever-Hall)方法不仅应用范围广泛,而且稳频后,激光器频率原则上严格等于谐振腔的共振频率[2]。PDH技术在腔长锁定的实际应用中具有更高的稳定性和控制精度,并且由于在锁定过程中对激光相位进行了相位调制,因此避开了激光幅度噪声的影响,具有更强的抗干扰能力。

 

PDH技术原理

 

PDH边带技术是八十年代发展起来的稳频技术,这种技术可以用于激光光源的稳频,也可用于锁定光学谐振腔,如模式清洁器、光学参量振荡腔等[3]PDH技术基本原理为:以激光器的共振频率作为参考频率标准,利用相位调制技术对入射激光位相进行调制,在激光中心频率两侧各产生一个边频带,经参考谐振腔反射后的光信号与调制信号相比较并滤波放大后,得到激光频率偏离参考腔共振频率的误差信号,利用误差信号驱动反馈控制系统调节谐振腔腔长使激光频率稳定在激光器的共振频率上。同理,若以外部谐振腔的频率为标准,也可实现对激光器频率的锁定。

我们以激光频率作为标准,将光学谐振腔的频率锁定在激光器的频率上,其基本原理如图所示:

图1.用 PDH 技术实现外部光学谐振腔锁定原理图。EOM:电光调制器;HV:高压放大器;PZT:压电陶瓷;PID:比例积分微分器;Mixer:混频器;RF:射频源;BLP:低通滤波器;AP:功率放大器;红线表示光路部分,黑线表示电路部分。

稳频激光器输出单纵模稳频激光,经隔离器后进入电光调制器,高频信号源(RF)通过电光调制器(EOM)对激光进行相位调制产生边带。在原来的频率左右,调制出两个边带频率,设原频率(载频)功率Pc、边频功率Ps、总功率P0,调制后的光场被注入到F-P腔内,由探测器(D)接收后,其探测到的交流信号与本地射频源混频,然后经低通滤波器(BLP)后获得误差信号,如果F-P腔共振频率与激光固有频率不同时,两边带被F-P腔反射的强度不相等,它们与载频产生拍频后的信号相位相反,而大小不相等,故误差信号不再为零。这一误差信号再进入伺服控制系统(PID),最后反馈到F-P腔的压电陶瓷PZT上,以调整F-P的腔长直到与激光器的频率完全共振。

Ω为调制频率,β为调制深度,当Ω为低频时,其误差信号为:

其中,F为腔精细度,为光频率。当Ω为高频时,其误差信号为:

δv为腔线宽。高频低频是取决于调制频率与腔线宽的比较。腔的线宽是腔自由光谱区与腔精细度的比值。故当调制频率Ω改变时,会引起误差信号的变化,下面两图分别是Ω为低频和高频时的误差曲线,误差信号斜率最大处对应于F-P腔的共振峰,我们就是要实现在共振峰处的锁定,此时F-P腔腔长与激光中心频率共振。从误差随频率的变化可以看出,对低频调制和高频调制,在中心频率处误差信号都与频率成线性关系,而反馈控制正是依靠这段区域来锁定谐振腔的腔长,使其满足共振条件而透射输出。

图2.Ω为低频(上)和高频(下)时的误差曲线。

我们可以通过将调制信号分出一路进行相位延迟,使之与F-P腔的透射光信号位相匹配然后进行混频和滤波,则只有该光信号的Ω项混频后能产生直流项误差信号,即所谓解调;将误差信号注入伺服控制系统进行检测控制,伺服控制系统由PID(比例积分微分器)构成,PID是一种线性控制器,用于实时对测量值和输出值进行比较运算,通过监测误差信号斜率最大处,即所谓误差信号线性动态范围内信号幅度变化,进行比例积分减少误差,最后将负反馈信号作用于光学腔体的压电陶瓷上,调节腔长使激光频率与腔体共振频率相同。

 

 

参考文献

[1]刘志强,刘建丽,翟泽辉.激光稳频技术的研究及进展[J].量子光学学报,2018,24(02):228-236.

[2] Drever R , Hall J L , Kowalski F V , et al. Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator[J]. Applied Physics B, 1983, 31(2):97-105.

[3] 孙恒信. 光的横向小位移的量子测量[D]. 山西大学, 2014.

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