實驗名稱：光學(xue)諧振腔(qiang)的自(zi)動重鎖(suo)

　　測試設備：功率放大(da)器、信號(hao)發生器、STEMlab板、壓電陶瓷(ci)等。

　　圖：STEMlab開發板(ban)

　　實驗過程：

　　實(shi)驗中用來測試自動重(zhong)鎖功(gong)能的(de)模式清(qing)潔器(qi)基(ji)本參數(shu)如表1所示，將(jiang)任意信號發生器(qi)輸出的(de)三角波信號頻率設為(wei)42Hz，高(gao)壓放大器(qi)偏(pian)置設為(wei)178/180，調整(zheng)光路中的(de)模式匹配透(tou)鏡使(shi)透(tou)射峰峰值(zhi)達到最高(gao)點，這(zhe)時(shi)高(gao)階(jie)模會(hui)被(bei)最大程度地抑制，在腔(qiang)內(nei)產生共(gong)振的(de)只有基(ji)模。

　　表1：模式(shi)清(qing)潔器基(ji)本參數

　　圖2：掃描(miao)模式下的誤差信(xin)號(hao)和(he)透射(she)信(xin)號(hao)

　　如圖(tu)2中(zhong)所示(shi)，實驗獲得的(de)(de)誤(wu)差(cha)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)在中(zhong)心(xin)點左右斜率(lv)較大，代表其具(ju)有(you)較高的(de)(de)靈敏度(du)，是可以(yi)用于(yu)反(fan)饋(kui)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)合格PDH誤(wu)差(cha)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)。透(tou)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)最高峰對應著誤(wu)差(cha)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)斜率(lv)最大處(chu)，此(ci)時(shi)誤(wu)差(cha)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)在零點左右波動，光(guang)學諧(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)與參考(kao)激光(guang)頻率(lv)最理想的(de)(de)共振(zhen)狀(zhuang)態就(jiu)是在該點處(chu)實現鎖定(ding)。找到透(tou)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)最佳(jia)模(mo)式后(hou)就(jiu)可以(yi)關閉任意信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)發生器(qi)，將誤(wu)差(cha)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)送入模(mo)糊PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)，模(mo)糊PID控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)輸出信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)經DAC轉換和高壓放(fang)大器(qi)放(fang)大后(hou)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)光(guang)學諧(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)腔(qiang)(qiang)(qiang)長變換。此(ci)時(shi)伺(si)服反(fan)饋(kui)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)回(hui)路已經形成，控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)和腔(qiang)(qiang)(qiang)長互相(xiang)制(zhi)(zhi)約(yue)，系(xi)統進入鎖定(ding)模(mo)式。圖(tu)3展示(shi)的(de)(de)是鎖定(ding)模(mo)式下利(li)用FPGA內部集成的(de)(de)示(shi)波器(qi)采集到的(de)(de)光(guang)學諧(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)的(de)(de)直流透(tou)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)以(yi)及此(ci)時(shi)的(de)(de)誤(wu)差(cha)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)。

　　圖3：鎖定模(mo)式下的(de)誤差信(xin)號(hao)和透射信(xin)號(hao)

　　光學諧振腔的(de)重鎖(suo)機(ji)制是通過計算機(ji)終(zhong)端的(de)程序(xu)使PDH鎖(suo)腔系統(tong)根據觸(chu)發條件在掃描模(mo)式(shi)和(he)鎖(suo)定模(mo)式(shi)之間(jian)自動切換來實(shi)現的(de)，完整的(de)鎖(suo)腔系統(tong)模(mo)型圖如圖4所示。

　　圖4：自動重鎖(suo)系(xi)統框(kuang)圖

　　實驗結果：

　　連接(jie)STELlab板、光(guang)(guang)學(xue)(xue)諧(xie)(xie)振腔(qiang)(qiang)和光(guang)(guang)電探(tan)測器等元器件并使用PDH技術(shu)將光(guang)(guang)學(xue)(xue)諧(xie)(xie)振腔(qiang)(qiang)鎖(suo)定(ding)到參考頻率，系統進入(ru)到了鎖(suo)定(ding)模式，此時開始(shi)運(yun)行(xing)重(zhong)鎖(suo)程(cheng)(cheng)序，重(zhong)鎖(suo)程(cheng)(cheng)序會在(zai)(zai)運(yun)行(xing)期間循(xun)環判斷此時光(guang)(guang)電探(tan)測器采(cai)集到的(de)透射信號和FPGA積分器值。為了驗證自動(dong)重(zhong)鎖(suo)功能，在(zai)(zai)鎖(suo)定(ding)模式下(xia)人為手動(dong)遮(zhe)擋入(ru)射光(guang)(guang)束使光(guang)(guang)學(xue)(xue)諧(xie)(xie)振腔(qiang)(qiang)失(shi)鎖(suo)，光(guang)(guang)電探(tan)測器采(cai)集到的(de)直流(liu)監(jian)視透射信號從原(yuan)本的(de)鎖(suo)定(ding)位(wei)置掉到了地線(xian)。圖5是(shi)系統從鎖(suo)定(ding)到失(shi)鎖(suo)再(zai)到重(zhong)新(xin)(xin)鎖(suo)定(ding)的(de)過程(cheng)(cheng)，光(guang)(guang)學(xue)(xue)諧(xie)(xie)振腔(qiang)(qiang)在(zai)(zai)0.9s時失(shi)鎖(suo)，在(zai)(zai)3s時又重(zhong)新(xin)(xin)鎖(suo)定(ding)。

　　圖(tu)5：重鎖過(guo)程中(zhong)的直(zhi)流透射信號

　　可以看到，通(tong)過(guo)(guo)擋住(zhu)注入信號光場2秒的實(shi)(shi)際測(ce)試，光學諧振腔能夠成(cheng)功(gong)自動實(shi)(shi)現(xian)從(cong)失鎖狀(zhuang)態重(zhong)新回(hui)到鎖定模式，且鎖定位置與失鎖前(qian)幾乎相同，無需人工操作。經(jing)過(guo)(guo)多次(ci)實(shi)(shi)驗測(ce)試，系(xi)統完成(cheng)這(zhe)個過(guo)(guo)程所需的時間通(tong)常不(bu)超過(guo)(guo)2秒，滿(man)足一般實(shi)(shi)驗時的基本(ben)需求。

　　在(zai)實驗中(zhong)使用FPGA代替傳統模(mo)擬電(dian)(dian)路(lu)器(qi)件有(you)效提升了(le)伺服(fu)系統中(zhong)各(ge)個(ge)環節(jie)的(de)(de)(de)自動(dong)化(hua)程度(du)(du)，為(wei)(wei)實驗人(ren)員省去了(le)一些手(shou)動(dong)調節(jie)的(de)(de)(de)重復工作，且在(zai)成本(ben)和占用空間(jian)方面(mian)也(ye)有(you)很大(da)(da)的(de)(de)(de)優(you)勢(shi)。但(dan)由于數字電(dian)(dian)路(lu)本(ben)身較大(da)(da)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)學噪聲(sheng)、輸出限幅和分辨率(lv)有(you)限等(deng)因(yin)素，其對光學諧振腔(qiang)鎖定(ding)的(de)(de)(de)控制精(jing)度(du)(du)有(you)時(shi)仍然(ran)不及模(mo)擬電(dian)(dian)路(lu)，在(zai)鎖定(ding)大(da)(da)部分精(jing)細(xi)度(du)(du)較低的(de)(de)(de)諧振腔(qiang)時(shi)可以使用FPGA來完(wan)成，高(gao)精(jing)細(xi)度(du)(du)諧振腔(qiang)的(de)(de)(de)鎖定(ding)使用模(mo)擬伺服(fu)電(dian)(dian)路(lu)則更為(wei)(wei)合適。

　　功率放大器推薦：ATA-7030

　　圖：ATA-7030高壓放大器指標參數

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