實驗名稱：光學諧振腔的自動重鎖

測試設備：功率放大器、信號發生器、STEMlab板、壓電陶瓷等。

圖：STEMlab開發板

實驗過程：

實驗中用來測試自動重鎖功能的模式清潔器基本參數如表1所示，將任意信號發生器輸出的三角波信號頻率設為42Hz，高壓放大器偏置設為178/180，調整光路中的模式匹配透鏡使透射峰峰值達到最高點，這時高階模會被最大程度地抑制，在腔內產生共振的只有基模。

表1：模式清潔器基本參數

圖2：掃描模式下的誤差信號和透射信號

如圖2中所示，實驗獲得的誤差信號在中心點左右斜率較大，代表其具有較高的靈敏度，是可以用于反饋控制的合格PDH誤差信號。透射信號的最高峰對應著誤差信號斜率最大處，此時誤差信號在零點左右波動，光學諧振腔與參考激光頻率最理想的共振狀態就是在該點處實現鎖定。找到透射信號的最佳模式后就可以關閉任意信號發生器，將誤差信號送入模糊PID控制器，模糊PID控制器輸出信號經DAC轉換和高壓放大器放大后控制光學諧振腔腔長變換。此時伺服反饋控制回路已經形成，控制信號和腔長互相制約，系統進入鎖定模式。圖3展示的是鎖定模式下利用FPGA內部集成的示波器采集到的光學諧振腔的直流透射信號以及此時的誤差信號。

圖3：鎖定模式下的誤差信號和透射信號

光學諧振腔的重鎖機制是通過計算機終端的程序使PDH鎖腔系統根據觸發條件在掃描模式和鎖定模式之間自動切換來實現的，完整的鎖腔系統模型圖如圖4所示。

圖4：自動重鎖系統框圖

實驗結果：

連接STELlab板、光學諧振腔和光電探測器等元器件并使用PDH技術將光學諧振腔鎖定到參考頻率，系統進入到了鎖定模式，此時開始運行重鎖程序，重鎖程序會在運行期間循環判斷此時光電探測器采集到的透射信號和FPGA積分器值。為了驗證自動重鎖功能，在鎖定模式下人為手動遮擋入射光束使光學諧振腔失鎖，光電探測器采集到的直流監視透射信號從原本的鎖定位置掉到了地線。圖5是系統從鎖定到失鎖再到重新鎖定的過程，光學諧振腔在0.9s時失鎖，在3s時又重新鎖定。

圖5：重鎖過程中的直流透射信號

可以看到，通過擋住注入信號光場2秒的實際測試，光學諧振腔能夠成功自動實現從失鎖狀態重新回到鎖定模式，且鎖定位置與失鎖前幾乎相同，無需人工操作。經過多次實驗測試，系統完成這個過程所需的時間通常不超過2秒，滿足一般實驗時的基本需求。

在實驗中使用FPGA代替傳統模擬電路器件有效提升了伺服系統中各個環節的自動化程度，為實驗人員省去了一些手動調節的重復工作，且在成本和占用空間方面也有很大的優勢。但由于數字電路本身較大的電子學噪聲、輸出限幅和分辨率有限等因素，其對光學諧振腔鎖定的控制精度有時仍然不及模擬電路，在鎖定大部分精細度較低的諧振腔時可以使用FPGA來完成，高精細度諧振腔的鎖定使用模擬伺服電路則更為合適。

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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審核編輯 黃宇