實驗名稱：線性相干反(fan)饋控制系統的實驗(yan)研究

　　測試設備：高壓放大器、示波器、低通(tong)濾波器、控(kong)制器、光電(dian)探頭、壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷等(deng)。

　　實驗過程：

　　圖1：相位鎖定方案。PZT1-PZT2：壓(ya)電陶瓷；HVA1-HVA2：高壓(ya)放大(da)器(qi)(qi)；S1：10Hz掃描信號；S2：2kHz調制信號；Mixer：混頻器(qi)(qi)；splitter：分(fen)流器(qi)(qi)；VF：電壓(ya)跟隨(sui)器(qi)(qi)；LPF：低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)；PID：比例積分(fen)微分(fen)控制電路；OSC：示波器(qi)(qi)。D1-D2：光(guang)電探頭；OPA：四波混頻過程；C：控制器(qi)(qi)；Pr：探針光(guang)；Conj：共軛(e)光(guang)。

　　圖2：光(guang)場(chang)加載(zai)調(diao)制(zhi)信號后的波形圖。1-Errorsingal為誤差信號；2-Pr和(he)(he)3-Conj分別為加載(zai)2kHz信號調(diao)制(zhi)后的探針光(guang)和(he)(he)共軛光(guang)波形。

　　實驗操(cao)作(zuo)(zuo)過程如圖1所(suo)示(shi)(shi)。首先我(wo)(wo)們(men)產生(sheng)(sheng)一個(ge)2kHz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)(diao)(diao)(diao)制信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)S2，其通過高(gao)壓(ya)放(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)HVA2放(fang)大(da)，用(yong)于驅(qu)動(dong)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷PZT2。另外我(wo)(wo)們(men)產生(sheng)(sheng)一個(ge)10Hz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)掃(sao)描(miao)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)S1，該信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)通過高(gao)壓(ya)放(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)HVA1放(fang)大(da)，用(yong)于驅(qu)動(dong)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷PZT1。通過示(shi)(shi)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)OSC觀(guan)察(cha)，可(ke)以得(de)到(dao)光場(chang)調(diao)(diao)(diao)(diao)制后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)，如圖2所(suo)示(shi)(shi)，2-Pr為(wei)探(tan)針光束的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)和3-Conj為(wei)共(gong)軛光場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)，它們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)類似(si)于洛侖茲波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)，每一個(ge)尖峰(feng)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)距離由掃(sao)描(miao)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)頻率決定(ding)，波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)上帶有(you)鋸(ju)齒(chi)(chi)狀(zhuang)波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)為(wei)調(diao)(diao)(diao)(diao)制信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)，通過改(gai)變調(diao)(diao)(diao)(diao)制信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)，可(ke)以調(diao)(diao)(diao)(diao)控(kong)鋸(ju)齒(chi)(chi)狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)小。需(xu)要注意的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是，在鎖(suo)相過程中(zhong)需(xu)要尋找合(he)(he)適(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)掃(sao)描(miao)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)和調(diao)(diao)(diao)(diao)制信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)參數，保(bao)證(zheng)光場(chang)能夠(gou)調(diao)(diao)(diao)(diao)制上信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)。我(wo)(wo)們(men)將D2探(tan)測到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)直流信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)接(jie)入(ru)(ru)分(fen)流器(qi)(qi)(qi)(qi)splitter的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1端(duan)口(kou)，那么(me)該直流信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)就被復(fu)制成兩份，分(fen)別(bie)從分(fen)束器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)2，3端(duan)口(kou)輸(shu)出(chu)，其中(zhong)3端(duan)口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)通過一個(ge)電(dian)壓(ya)跟隨器(qi)(qi)(qi)(qi)VF之后(hou)直接(jie)輸(shu)入(ru)(ru)至示(shi)(shi)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)進行觀(guan)察(cha)。這(zhe)里電(dian)壓(ya)跟隨器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)是防止后(hou)端(duan)接(jie)入(ru)(ru)電(dian)子器(qi)(qi)(qi)(qi)件對前(qian)端(duan)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)串擾，從而(er)保(bao)證(zheng)了信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)保(bao)真度。2端(duan)口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)直流信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)則經過電(dian)壓(ya)跟隨器(qi)(qi)(qi)(qi)VF后(hou)與掃(sao)描(miao)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)混合(he)(he)，利(li)用(yong)低通濾(lv)波(bo)(bo)(bo)(bo)器(qi)(qi)(qi)(qi)過濾(lv)掉混頻信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)頻成分(fen)后(hou)，可(ke)以得(de)到(dao)誤(wu)差信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)1-Eerrorsignal。可(ke)以看到(dao)，誤(wu)差信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)斜率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)處對應于輸(shu)出(chu)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)尖峰(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)。我(wo)(wo)們(men)將誤(wu)差信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)(hao)輸(shu)入(ru)(ru)到(dao)比(bi)例積分(fen)微分(fen)控(kong)制器(qi)(qi)(qi)(qi)PID中(zhong)，通過修(xiu)改(gai)參數可(ke)以直接(jie)鎖(suo)定(ding)相位點。由于系統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光路比(bi)較長，為(wei)了保(bao)證(zheng)良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鎖(suo)定(ding)效果，需(xu)要加擋風板，減緩空(kong)氣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)流動(dong)。

　　實驗結果：

　　圖3：保持放(fang)大器泵浦(pu)功(gong)率不變，研究不同反饋系數(shu)k條件下(xia)，系統(tong)輸(shu)出(chu)光場(chang)的(de)強(qiang)(qiang)度(du)差壓縮(suo)。縱坐標(biao)為(wei)噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)功(gong)率，橫坐標(biao)為(wei)掃描時(shi)間。泵浦(pu)功(gong)率為(wei)85mW，注入探針光功(gong)率為(wei)30μW。圖(a)，(b)和(c)分別表示(shi)當反饋系數(shu)k為(wei)0，0.2和0.4時(shi)，系統(tong)輸(shu)出(chu)光場(chang)的(de)強(qiang)(qiang)度(du)差噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)頻譜（曲(qu)線(xian)(xian)A）和對應的(de)散射噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)極限（曲(qu)線(xian)(xian)B）。紅(hong)色直(zhi)線(xian)(xian)代表這各個曲(qu)線(xian)(xian)的(de)噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)平均值。

　　實驗結果如圖3所(suo)示，黑色(se)曲線B為(wei)歸一化(hua)后(hou)的(de)(de)散(san)粒噪(zao)聲極限，藍色(se)曲線A為(wei)歸一化(hua)后(hou)輸出(chu)光場的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)噪(zao)聲，紅色(se)直(zhi)線代表著各個曲線歸一化(hua)后(hou)平(ping)均噪(zao)聲水平(ping)強(qiang)(qiang)度(du)(du)。如圖3(a)所(suo)示，當(dang)k=0時，系(xi)統(tong)(tong)沒有反(fan)(fan)饋，可(ke)(ke)以(yi)看做(zuo)單個非相位敏感的(de)(de)四波混頻過程，此時系(xi)統(tong)(tong)產生(sheng)(sheng)了(le)-2.30dB的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)壓(ya)縮(suo)。當(dang)k=0.2時，系(xi)統(tong)(tong)產生(sheng)(sheng)了(le)-4.03dB的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)壓(ya)縮(suo)，如圖3(b)。當(dang)繼(ji)續增(zeng)(zeng)大反(fan)(fan)饋為(wei)k=0.4時，系(xi)統(tong)(tong)產生(sheng)(sheng)了(le)-1.19dB的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)壓(ya)縮(suo)，如圖3(c)。可(ke)(ke)以(yi)看到，隨著反(fan)(fan)饋強(qiang)(qiang)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)噪(zao)聲也(ye)隨之(zhi)發(fa)生(sheng)(sheng)變化(hua)。另外在一定反(fan)(fan)饋情況(kuang)下，反(fan)(fan)饋控制可(ke)(ke)以(yi)使系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)壓(ya)縮(suo)增(zeng)(zeng)大；然(ran)而(er)繼(ji)續增(zeng)(zeng)大反(fan)(fan)饋強(qiang)(qiang)度(du)(du)，系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)差(cha)壓(ya)縮(suo)程度(du)(du)反(fan)(fan)而(er)降低，甚至(zhi)低于無反(fan)(fan)饋情況(kuang)，發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)過度(du)(du)反(fan)(fan)饋的(de)(de)現象(xiang)。

　　圖4：在(zai)放大器泵浦功率分別為(wei)65mW，75mW，85mW情(qing)況下，不(bu)同反(fan)(fan)饋系(xi)數(shu)k下，系(xi)統(tong)輸(shu)(shu)出光(guang)場的強度差(cha)(cha)壓縮(suo)。縱坐標(biao)為(wei)強度差(cha)(cha)壓縮(suo)IDS，橫(heng)坐標(biao)為(wei)反(fan)(fan)饋系(xi)數(shu)k。實(shi)線為(wei)實(shi)驗得強度差(cha)(cha)壓縮(suo)，虛線為(wei)理(li)論考慮系(xi)統(tong)損耗情(qing)況下的強度差(cha)(cha)壓縮(suo)。假(jia)設原子池中探針(zhen)光(guang)和共軛(e)光(guang)的透射(she)系(xi)統(tong)分別為(wei)Ta=0.9，Tb=0.95，光(guang)路傳輸(shu)(shu)損耗為(wei)l=0.18，探測效率為(wei)η=0.9。紅色點狀(zhuang)：65mW；藍(lan)色正(zheng)方形：75mW；綠色棱形：85mW。

　　如圖(tu)4所示。從圖(tu)中(zhong)可以得到(dao)，在不同(tong)泵浦(pu)功(gong)率(lv)情(qing)況下，各自都存(cun)在一個(ge)最(zui)優的(de)反饋(kui)參數k?，能(neng)夠(gou)使得系統(tong)的(de)量子特性最(zui)大化。當P=65mW時，k?在[0.25,0.35]間，系綜(zong)(zong)最(zui)大強度(du)差壓縮為|2.65dB；當P=75mW時，k?在[0.20,0.30]間，系綜(zong)(zong)最(zui)大強度(du)差壓縮為徦(jia)3.54dB；當P=85mW時，k?在[0.15,0.25]間，系綜(zong)(zong)最(zui)大強度(du)差壓縮為|4.03dB。我們也測量了(le)其他泵浦(pu)功(gong)率(lv)下的(de)情(qing)況，發(fa)現泵浦(pu)功(gong)率(lv)越(yue)大，最(zui)優反饋(kui)系數k?越(yue)小，這(zhe)個(ge)從理論計算中(zhong)也可以推導出來，實(shi)際(ji)測量結果(guo)和理論模擬趨勢相同(tong)，但在絕對(dui)數值上(shang)存(cun)在大約1dB的(de)偏移(yi)，這(zhe)可能(neng)是由于其他損耗導致的(de)。

　　高壓(ya)放(fang)大(da)器推薦：ATA-7020

　　圖：ATA-7020高壓放大器指標參數

　　本資料(liao)由Aigtek安(an)泰電(dian)子整理發布，更多案(an)例及產品(pin)詳情(qing)請(qing)持續(xu)關注我們(men)。西安(an)安(an)泰電(dian)子Aigtek已經(jing)成為(wei)在業界擁有(you)廣泛產品(pin)線，且具(ju)有(you)相當規模的儀器(qi)設(she)備供應商，樣機都(dou)支持免費(fei)試用。如想了解更多功率放(fang)大(da)器(qi)等產品(pin)，請(qing)持續(xu)關注安(an)泰電(dian)子官(guan)網hkdyw.cn或撥打029-88865020。