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Sandbox Physics

L29 · 让反射光纠正频率

PDH 激光稳频

反射光能告诉激光该往哪边调吗? 能。给激光加上调制边带,打到参考腔上,反射回来的边带和载波拍频,解调后得到误差信号,正负号就说明激光在共振的哪一侧。误差信号安静,只说明激光紧跟着参考腔,不能证明参考腔本身稳。

把带相位调制边带的光送进参考腔,解调反射光,再接通反馈。可以记录激光被拉进锁定、噪声被压低、环路振铃和失锁。

交互模型PDH 激光稳频
累计记录时间—\text{—}
腔功率线宽—\text{—}
假设腔传感器极点—\text{—}
激光减参考腔频率—\text{—}
激光相对固定原点频率—\text{—}
实际执行器修正—\text{—}
过滤后工厂校准误差—\text{—}
记录末帧反射功率比例—\text{—}
入射载波功率比例—\text{—}
每个一阶边带功率比例—\text{—}
相对工厂设定鉴频斜率—\text{—}
局部线性单位增益频率—\text{—}
局部线性相位裕度—\text{—}
单独线性扰动抑制—\text{—}
采集频率样本—\text{—}
采集 PSD 频率分辨率—\text{—}
采集相对腔均方根—\text{—}
采集绝对频率均方根—\text{—}
记录末帧环路诊断—\text{—}

物理教程

反射包含方向,不只有功率

背景线宽很窄的腔,会把微小的频率偏移变成反射光的相位变化。

为什么值得理解让反射光和相位调制边带拍频,再混频,就得到一个带正负号的误差信号,可以拿它去调激光。

先抓重点

核心问题
反射光能告诉激光该往哪边调吗?
一句话直觉
反馈把激光锁在参考腔上,不是锁在绝对频率上;误差信号再安静,也证明不了参考腔本身安静。

核心数学模型

相位调制产生边带

Ein=E0eiωt+iβsin⁡Ωt=E0∑nJn(β)ei(ω+nΩ)t\begin{aligned}E_{\rm in}&=E_0e^{i\omega t+i\beta\sin\Omega t}\\&=E_0\sum_n J_n(\beta)e^{i(\omega+n\Omega)t}\end{aligned}

相邻两个边带之间的拍频就是调制频率。模型保留十三个阶次。

每个频率各自反射

r(δ)=rm(1−eiφ)1−rm2eiφφ=2πδ/fFSR\begin{aligned}r(\delta)&=\frac{r_m(1-e^{i\varphi})}{1-r_m^2e^{i\varphi}}\\\varphi&=2\pi\delta/f_{\rm FSR}\end{aligned}

共振时,无损对称腔对单一频率的光完全不反射。计算里仍包含所有边带。

解调拍频

an=Jn(β)r(δ+nfm)C1=∑nan+1an∗ϵ0=−2Im⁡C1ϵ90=2Re⁡C1\begin{aligned}a_n&=J_n(\beta)r(\delta+nf_m)\\C_1&=\sum_n a_{n+1}a_n^*\\\epsilon_0&=-2\operatorname{Im}C_1\\\epsilon_{90}&=2\operatorname{Re}C_1\end{aligned}

混频相位决定看拍频的哪个正交分量。相位转半圈,反馈符号就反过来。

简化的 PI 反馈

z˙=2πfieτau˙+u=clip⁡(−Kpe−z)δ=ffree+u−fc\begin{aligned}\dot z&=2\pi f_i e\\\tau_a\dot u+u&=\operatorname{clip}(-K_pe-z)\\\delta&=f_{\rm free}+u-f_c\end{aligned}

滤波后的误差驱动比例修正和积分修正。执行器指令会限幅,所以积分器需要防饱和。

共振附近的线性环路

L(s)=(Kp+2πfis)GHcHaHj(s)=11+s/(2πfj)S(s)=11+L(s)\begin{aligned}L(s)&=\left(K_p+\frac{2\pi f_i}{s}\right)GH_cH_a\\H_j(s)&=\frac{1}{1+s/(2\pi f_j)}\\S(s)&=\frac{1}{1+L(s)}\end{aligned}

这个线性模型只在载波共振附近、不限幅时成立。相位裕度为负,提示环路不稳定。

相对频率与绝对频率

flaser=ffree+uδ=flaser−fcδfbin=1/(NΔt)\begin{aligned}f_{\rm laser}&=f_{\rm free}+u\\\delta&=f_{\rm laser}-f_c\\\delta f_{\rm bin}&=1/(N\Delta t)\end{aligned}

残差曲线和它的 Hann 频谱来自同一段冻结的频率记录。参考腔漂移时,激光的绝对频率里仍看得到这种漂移。

常见难点

无反射功率就无误差

容易误解载波穿过腔时,探测器测不到有用的误差。

正确理解仍有一小部分载波光场被反射。反射回来的边带和它拍频,拍频就带出了载波的相位。

小环内噪声证明激光稳定

容易误解误差信号安静,就说明激光的绝对频率稳定。

正确理解误差信号测的是激光相对参考腔的运动,而且依赖传感器模型。要检验绝对稳定,需要一个独立参考。

动手实验

  1. 01

    检查误差符号

    比较“开环”和“捕获共振”两个预设,再把混频相位反过来。

    你会看到: 符号对,激光被拉向载波共振;符号错,激光被推开。
  2. 02

    找出环路失效的条件

    比较“慢反馈”和“不稳定闭环”两个预设,再点“扰动激光频率”。

    你会看到: 误差斜率够陡还不够:环路还得稳定,执行器也得有足够的调节范围,才能捕获激光。
  3. 03

    跟随运动参考

    采集“参考腔漂移”预设,比较相对腔均方根和绝对频率均方根。

    你会看到: 环内残差即使很小,激光也跟着参考腔一起动。
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