Liquid Instruments公司是由澳?利亞國立大學量?科學系教授Daniel Shaddock建?，Shaddock教授主要研究包括激光干涉、引?波探測、空間精密光學測量等領域，公司的研發團隊由澳大利亞國立大學激光干涉、精密測量、數據科學、軟件設計和?程等科研?員組成，并有NASA、OZGrav和其他研究機構的經歷，為您提供專業的測量儀器。 說明：Liquid Instruments 成?于2014年，專注?精度科學測試測量儀器的研發，致?于簡化實驗室?作流程來創造更直觀、更靈活流暢的實驗室體驗。

Moku:Lab集成成示波器、頻譜分析儀、波形發生器、相位表、數據記錄器、鎖相放大器、PID控制器、頻率響應分析儀、數字

濾波器、任意波形發生器、FIR濾波器生成器和激光鎖頻/穩頻十二個專業儀器于一臺設備。適?于信號采集、處理分析、控制

系統等應?。僅需通過軟件操控多儀器間功能切換，硬件便可以快速重新配置并執行的儀器功能。同時我們在不斷增強當

前儀器功能，客戶無需增加成本即可獲得更多強大功能及豐富的用戶體驗。

產品特點

節省工作臺空間、優化實驗環境

可遠程控制，滿?嚴格實驗環境要求

小巧輕便、隨時隨地戶外工作

Moku:Lab應用于激光長時間穩頻

Moku:Lab第十二個儀器功能激光鎖頻/穩頻，具備高性能調制技術將激光器的頻率穩定到參考腔或原子躍遷。Moku:Lab激

光鎖頻/穩頻單一儀器集成了波形發生器、示波器、濾波器、PID控制器多儀器功能，包含快速精確掃描和*鎖定診斷等自動

化程序，能快速鎖定到誤差信號解調后的零交叉點，為激光頻率穩定提供了一體化解決方案。

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主要特點

·信號處理框圖

·使用內部和外部本機振蕩器解調信號

·鋸齒波或三角波共振掃描

·使用內置示波器觀測在信號處理過程中不同位置的信號

·使用“點擊-鎖定”功能快速鎖定到誤差信號的任一零交叉點。

·高達四階低通IIR無限沖激響應濾波器解調信號

·可單獨配置的高帶寬、低帶寬PID控制器用于高頻、低頻反饋

·使用“范圍內掃描鎖定“功能觀測與掃描電壓有關的信號

典型參數

·本振頻率1 mHz -200 MHz，頻率分辨率3.55 µHz

·掃描波形：正鋸齒波，負鋸齒波和三角波

·掃描頻率：1 mHz -1 MHz

·低通濾波器截止頻率：1 kHz - 14 MHz

·提供濾波器類型： Butterworth, Chebyshev, Inverse Chebyshev, Elliptic, Gaussian, Bessel, Legendre

·AC/DC輸入耦合

·50Ω/1MΩ輸入阻抗

下面應用說明介紹了如何通過Moku激光鎖頻/穩頻儀器實現激光器頻率*鎖定。激光鎖定系統廣泛用于控制并將激光器的頻

率與光學頻率參考匹配（這通常是光學參考腔或原子躍遷）。這種系統對于高分辨率干涉測量、光譜系統，以及時間和頻率標

準至關重要。

通過強制激光器和參考頻率相等來鎖定激光器一般兩種情況：

（1）鎖定系統控制激光器頻率且使其等于參考頻率，這被稱為頻率穩定;

（2）鎖定系統迫使參考頻率跟隨激光頻率，這被稱為頻率跟蹤。無論是用于頻率穩定還是頻率跟蹤，Liquid Instruments的Mo

ku都可以實現高性能，高增益的激光鎖定系統。Moku提供*的設置、采集和診斷功能，使設置和表征激光鎖定系統變得更加

容易和快捷。

激光鎖定和PDH技術的基礎知識

任何激光鎖定技術的核心都是測量并提供激光與頻率參考之間差異或誤差的測量。通常稱為“誤差信號”，該信號的質量終決

定了整個鎖定系統的精度和準確性?？梢哉f，獲得誤差信號的確方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技術。已經證明，

在反饋系統中使用PDH誤差信號可以非常精確地測量激光器或腔體的變化，從而將其用于吸收光譜和引力波檢測等無數應用中。

PDH誤差信號技術有幾個關鍵優勢，例如：

1.該技術可以精確地測量并提供了激光和共振腔之間的相位和頻率差異

2.該傳感技術提供零交叉誤差信號，當誤差信號為零時代表其零頻率差為零。

3.假設所有信號處理都是以數字方式完成的，它避免了模擬電子和解調電路中產生的低頻噪聲。

這些優點難免需要付出一些代價。為了獲得頻率/相位的這種精確測量，PDH技術應用射頻調制和解調技術。這大大增加了信

號處理系統的復雜性，也使光學系統變得復雜。但是，一旦理解，與PDH系統的優點相比，這些復雜性是微不足道的。

使用Moku：激光鎖頻/穩頻儀器實現激光鎖定

Moku：激光鎖頻/穩頻大大簡化了通常操作和使用PDH鎖定系統的復雜程度。圖1示出了PDH激光鎖定系統的示例。該裝置使

用固態Nd：YAG NPRO激光器，其已經與一個中等精細度光學腔準直并模式匹配。隨后使用Moku：激光鎖頻/穩頻產生將激

光鎖定到腔的諧振頻率所需的所有信號。

圖1.PDH激光鎖定系統的示例

鎖定激光器包括：

1.設置系統（包括準直）。

2.調制激光

3.尋找共振點

4.獲得誤差信號

5.打開反饋

6.優化鎖定

系統設置

為了使系統地工作，需要確保激光器的出射光與腔的光軸良好準直，并且激光器的模式與諧振器的空間模式很好地匹配。

重要的是要注意，未準直或模式不匹配會導致鎖定性能降低，或者在極端情況下，系統根本不工作。后，使用兩個光電探

測器監測系統；一個光電探測器接收從腔體反射回來的光，另一個接收穿過腔體的光。

連接Moku：Lab輸出端

為了應用PDH成功鎖腔，需要生成幾個信號。

1.調制信號：發送到EOM以產生相位調制邊帶。

2.主要反饋信號：在這種情況下反饋到激光器的PZT頻率控制器。為了驅動激光器的PZT，需要使用高壓放大器（HV amp）。

3.次反饋信號（可選）：可通過溫度來調節激光頻率，溫度反饋的動態調控范圍較廣，但速度較慢。在這種情況下，調制信

號和次反饋信號在Moku：Lab的輸出2上生成，并使用Bias-Tee分離。

連接Moku：Lab輸入

光電探測器接收到的反射信號通常包含了產生反饋信號所需的所有信息，將其與輸入1連接并作為主要的信號輸入通道。第二

輸入通道可以用來監控任何輔助信號。

1.輸入1用作大多數信號處理的主要通道。在該系統中，將光電探測器AC輸出連接到Moku：Laser Lock Box的輸入1。

2.將透射光信號的直流分量連接到輸入2，盡管不是必需的，但其有助于識別和優化鎖定系統中的特征。

調制激光

在這種情況下的相位調制是通過向EOM施加正弦電壓信號來實現的。調制信號可以輔助振蕩器功能來產生。對于該系統，我

們將使用10 MHz調制。

1.將輔助振蕩器設置為10 MHz。

2.設置輔助振蕩器的幅度。務必選擇EOM規格范圍內的電壓。在這種情況下，我們將幅度設置為100mV。

3.選擇Aux Oscillator輸出。在此示例中，將Aux示波器設置為輸出2。

4.打開輸出。

掃描激光頻率并找到共振頻率

掃描激光頻率有助于表征和優化鎖定信號。

Moku：Laser Lock Box附帶掃描功能。在此示例中，我們將對掃描發生器進行設置，使其輸出一個信號并通過輸出1傳遞給

PZT傳動裝置。步驟如下：

1.將“掃描”設置為三角波

2.將幅度設置為500 mV

3.選擇掃描信號的輸出端，在此示例中為輸出1

4.打開輸出

圖2：輔助振蕩器用于驅動EOM并創建相位調制邊帶

使系統共振信號居中

為了使激光鎖定更順利，我們通?？梢栽趻呙柚袑⒐舱裥盘栒{整到掃描信號的*，后續可以通過調整溫度控制器的偏移

量來實現。調整溫度偏移，直到掃描中心共振頻率出現在掃描信號的零值附近。

獲取并優化誤差信號

為了獲得誤差信號，從光電探測器接收的RF信號需要用本地振蕩器解調。選擇本地振蕩器的正確相位對于優化誤差信號至

關重要。如下：在觀察誤差信號的同時調整本地振蕩器的相位

圖3：通道A和B分別顯示腔的透射響應和經過恢復的誤差信號

手動鎖定激光

1.調整共振信號至掃描的*.

2.設置高頻PID控制器。（此處可以僅先設置積分器頻率在~10 Hz，因為后續可以對響應進一步優化）

3.打開PID控制器

4.緩慢降低掃描幅度，直到激光功率達到大值。

5.關閉掃描

使用Tap來鎖定

1.調整共振信號至掃描的*。

2.設置高頻PID控制器。（此處可以僅先設置積分器頻率在~10 Hz，因為后續可以對響應進一步優化）

3.選擇Tap為鎖定模式

4.選擇需要鎖定共振點

注意：確保反饋的方向正確

調整和優化鎖定

一旦系統鎖定，我們可以根據需要優化鎖定。這通常意味著調整PID控制器的增益。要執行此操作，請打開PID控制器菜單：

1.稍微增加比例增益，直到系統開始振蕩

2.稍微降低比例增益，直到系統停止振蕩

3.對積分器和微分器重復此操作（如有必要）

圖4：當激光器鎖定時，透射光的功率（通道A）將處于其恒定的大值。誤差信號（通道B）也將

保持為零

除了激光鎖頻/穩頻，Moku:Lab還集成了示波器、頻譜分析儀、波形發生器、相位表、數據記錄器、鎖相放大器、PID控制

器、波特分析儀、數字濾波器、任意波形發生器、FIR濾波器生成器十二個專業儀器。

應用案列

? 太赫茲時域光譜、時域熱反射測量（TDTR)          

? 氣體諧波測量實驗

? 激光器穩頻/鎖頻實驗                            

? 原子物理實驗

? 飛秒脈沖受激拉曼損耗顯微成像                   

? 微弱信號測量    

? 光聲粘彈性成像測量                             

? 光聲光譜測量

? 光電實驗信號的分析和測量                       

? 電子工程類實驗

? 邁克爾遜干涉實驗                               

? RC、RL電路實驗

? 對有用信號與噪聲信號分離的數字濾波器實驗       

? 光速的測量

? 系統輸出信號的相位差測量以及幅值、頻率的同時測量