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광학 위상 고정 루프

관련 제품 : MFLI + PID, UHFLI + PID, GHFLI + PID, SHFLI + PID

응용기술 설명

OPLL(Optical Phase-Locked Loops )은 두 개의(레이저) 라이트 필드의 상대적 위상을 동기화합니다. 결과적으로 두 필드는 조정 가능한 주파수 차이를 갖으며 위상 관계는 일정하게 유지됩니다. OPLL의 인기 있는 응용기술 의 예는 다음과 같습니다.

간섭성 라만 전이

두 개의 원자 또는 분자 에너지 준위는 정의된 주파수 차이가 있는 2개의 간섭성 라이트 필드에 의해 세 번째(가상) 에너지 준위를 통해 연결됩니다. Rabi 진동을 통해 잘 정의된 일관된 인구 이동을 수행하려면 각 실험 과정에서 관련된 레이저들의 상대 위상을 안정화하는 것이 중요합니다.

Coherence cloning, laser transfer lock (레이저 안정화)

서보 루프의 대역폭이 수신 레이저에 존재하는 노이즈를 처리할 수 있을 만큼 충분히 높다면, 광학 위상 고정 루프 를 사용하여 주파수 또는 위상 안정성 속성과 같은 한 레이저의 간섭 특성을 다른 레이저로 전송할 수 있습니다. 그리하여, 다중 저간섭성 슬레이브 레이저는 고간섭성 마스터 레이저로 안정화될 수 있습니다.

주파수 빗 (Frequency comb)

주파수 빗을 "광학 눈금자"로 사용하려면 반복률과 Carrier envelope offset (CEO) 주파수를 잘 정의해야 합니다. 반복률은 빛에서 직접 추론할 수 있으며 레이저 캐비티 길이를 조정하여 제어할 수 있습니다. CEO의 경우, 소위 f−2f 간섭계는 일반적으로 빗형 스펙트럼의 더 높은 주파수 끝과 주파수가 두 배가 된 저주파 끝 사이에서 비트 노트를 생성합니다(광학 스펙트럼이 주파수 옥타브를 포함하는 경우). 펌프 전원에 피드백이 제공되어 CEO를 정의된 설정값으로 유지합니다.

간섭성 전력 조합

OPLL을 사용하여 여러 레이저를 동기화하면 위상 배열 광학, LIDAR 및 광학 빔 조정을 위한 보강 및 상쇄 간섭을 생성하기 위해 광파의 일관된 조합이 가능합니다.

두 라이트 필드 사이의 상대적인 광학 위상은 일반적으로 빔 스플리터 또는 결합기의 필드를 중첩하여 감지되어 광검출기의 두 레이저 주파수 차이에서 비트 노트를 생성합니다. 거기에서 전기적 위상 고정 루프는 비트 노트를 높은 안정성의 무선 주파수 발진기에 참조합니다. 그런 다음 피드백 신호는 설정 내의 주파수 또는 위상 편이 요소에 공급됩니다. 후자는 레이저 중 하나의 내부 요소이거나 음향 광학 변조기와 같은 외부 요소일 수 있습니다.

측정 전략

Application diagram of an optical phase-locked loop using the Zurich Instruments UHFLI Lock-in Amplifier

신호 분석 및 제어 관점에서 광학 설정의 복잡한 세부 사항을 전압 제어 발진기(voltage-controlled oscillator, VCO)로 바꿔 생각하면 위의 예를 쉽게 이해할 수 있습니다. VCO는 제어 입력 값에 따라 달라지는 출력 주파수를 제공합니다. VCO의 주요 특성은 제어 전압이 특정 값만큼 변할 때 주파수가 변하는 양입니다. 당면 과제는 VCO 출력의 위상을 위상 검출기, 즉 락인앰플리파이어가 있는 두 번째 기준 발진기와 비교하는 것입니다. 해당 비교를 기반으로 VCO가 기준 발진기를 밀접하게 따르도록 VCO 제어 전압에 피드백을 제공합니다. 원활하고 안정적인 작동을 위해 고려해야 할 가장 중요한 측면은 다음과 같습니다.

  • 높은 서보 대역폭: 레이저의 속성과 설정의 다른 부분에 따라 필요한 대역폭을 알아야 합니다. 대역폭이 초과되면 일반적으로 더 노이즈가 많은 레이저가 발생하므로 많을수록 항상 더 좋은 것은 아닙니다.
  • 편리한 락인과 안정적인 작동을 위해서는 위상 언랩이 절대적으로 중요합니다. 대부분의 위상 검출기는 락인을 위해 접근 가능한 위상 범위로 ±π/2만 제공할 수 있습니다. 그 한계를 초과하는 모든 왜곡은 불안정성의 원인이 될 수 있습니다.
  • 고객지원 사용자 인터페이스: 안정적인 작동으로 이어지는 매개변수를 설정하는 것이 핵심 단계입니다.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • ±1024π 이상의 위상 언랩으로 견고한 작동이 가능합니다.
  • 위상 노이즈의 양에 따라 높은 서보 대역폭이 필요할 수 있습니다. UHFLI 락인앰플리파이어는 최대 100kHz의 서보 대역폭을 보장합니다.
  • PID 어드바이저 는 레이저 설정을 모델링하고 합리적인 시작 매개변수를 계산할 수 있는 VCO 모델과 함께 제공됩니다.
  • 락인이 달성되면 자동 튜닝 루틴으로 PID 매개변수를 추가로 최적화하여 잔류 PID 오류를 최소화할 수 있습니다.
  • Scope, 스펙트럼 분석기 , Sweeper 및 Plotter로 구성된 LabOne ® 도구(툴셋) 세트는 락인 품질의 통합 분석 및 모니터링을 가능하게 합니다. 예를 들어 PID 오류를 히스토그램으로 시각화하여 설정의 어떤 것이 예상대로 작동하지 않음을 나타내는 가우스 편차를 찾아낼 수 있습니다.
  • UHFLI(600MHz)의 주파수 범위를 사용하면 넓은 범위에서 기준 레이저와 고정 레이저 사이의 주파수 차이를 스윕할 수 있습니다.

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