基于FPGA的激光频率稳定技术

10/30/2024，光纤在线讯，应用案例：使用Redpitaya对窄线宽激光器进行频率锁定

介绍：激光稳频技术是确保激光器输出频率稳定的核心技术，广泛应用于光谱测量、量子光学、量子精密测量和引力波探测等领域，如玻色-爱因斯坦凝聚、光学原子钟、量子重力仪和超冷分子物理学。激光稳频技术对激光冷却和捕获实验至关重要。

稳频系统需要专用的物理部件和复杂的控制硬件来稳定激光频率。传统的该系统相对较大，需要各种电子元件，并需要相当大的空间。与传统系统相比，基于现场可编程门阵列（FPGA）的锁定系统减少了子系统的尺寸。它为控制输出和采集输入提供了较高的时间分辨率和高速的数据传输。此外，基于FPGA的电子设备是高度可重新配置的，并提供了一个数字条件控制频谱的可能性。这些特性可以作为实现锁定电路的理想平台。

用户可以利用Xilinx Zynq-7010和微处理器嵌入式设备Redpitaya STEMlab 125-14建立的一系列系统控制仪器，包括示波器、斜坡/扫描控制器、两个锁相放大器、信号发生器、PID滤波器和一个整体控制模块进行激光频率锁定，其提供了高性能125MS/s、14位的A/D转换，8ns的时间分辨率和至60MHz带宽的双输入输出通道，也可以利用它的开源逻辑设计功能，定制代码以适应用户特定的应用程序。

图1 Redpitaya硬件规格

图2网页GUI前端，成三列面板。左边的每个仪器包含一个面板，每个仪器都有配置选项。右边的一个包含了示波器的可视化选项。中间的一个包含示波器屏幕和面板显示的可视化测量值。

稳频应用：高稳定度和高精度的激光稳频方法主要有饱和吸收稳频(又叫反兰姆凹陷稳频)及无源腔稳频(如高稳法布里-珀罗腔)。

饱和吸收稳频中，主要用到了某一气体原子或分子的气室，饱和吸收的意思是气室的气体在吸收谱线的中心频率处出现了一个吸收凹陷。饱和吸收峰与原子能级共振频率相关,因此可以作为一个很好的频率参考点，饱和吸收稳频就是以饱和吸收峰作为频率参考，测量激光偏离吸收线峰值的程度提取误差信号并反馈到激光器，实现激光器频率的稳定。

图3 铷原子饱和吸收光谱

在饱和吸收稳频中，Redpitaya STEMlab 125-14主要用作电路控制部分:调制解调及PID控制模块。通过对激光器施加正弦交流信号，得到调频光场，再通过饱和吸收模块得到饱和吸收谱信号，将调制信号与吸收谱信号进行混频并滤波，得到鉴频信号FDS，最后通过PID控制模块获得反馈PZT电压或电流信号。

图4 饱和吸收稳频原理框图

图5 实验设置：ECDL发射波长通过PZT电压和二极管电流两个参数进行控制。通过电流驱动器进行了谐波调制。

该方案中使用了两个快速输入和两个快速输出（图5）。采用in2端口对光电二极管信号进行数字化，测量透射激光强度。in1端口用于测量光电二极管信号的交流分量，使用模拟高通滤波器和放大器，提高锁定解调的灵敏度。使用Redpitaya自带示波器功能进行采集，记录传输强度和解调信号。使用out 1端口上的ctrl_A信号来控制斜坡信号用于频率扫描，PID用于频率稳定。电流和PZT的扫描振幅通过驱动器进行调节。out2端口用于产生激光电流的调制。

我们使用了一个780 nm波长的ECDL，适用于铷D2线。通过控制二极管电流和衍射光栅的位置来调节激光器频率。光栅的位置由压电（PZT）元件控制。如果同时控制这两个参数，则可以达到几个GHz的无模跳调谐范围。图6显示了85Rb同位素在Fg = 3→Fe = 2,3,4周围的激光频率扫描（蓝线）。在图中，光频率随着三角波扫描信号ctrl_A的增加而增加。亚多普勒超精细跃迁峰和13个交叉峰用垂直的灰色线标记。

为了稳定频率，得到适合于峰值最大锁定的误差信号，并从光电二极管所感知到的信号中解调，通过电流驱动器引入了一种谐波调制cos_ref。

图6饱和吸收光谱开环扫描（蓝色）和触发的闭环稳定方案的相关信号到峰值最大值（橙色）。

in2是由光电二极管感知到的传输信号。in1是in2经DC耦合和放大（见图7），用于锁定解调。F1o和F3o分别为1f和3f处的解调信号。ctrl_A是控制信号，运行斜坡扫描。解调信号表现出一阶和三阶导数，零点位于in2的峰值处。F3o用于误差信号，红线表示锁定启动触发的电平阈值。左侧的V信号轴表示该信号在光电二极管输出中的电压尺度。

谐波锁定用于解调in1信号。解调得到的信号Xo、Yo、F1o、F2o和F3o是可视化和可被采集的。其中前三个与in2传输信号的一阶导数成比例（在一阶调制深度下）成正比，最后两个分别与二阶和三阶导数成正比。奇数导数的零点表示in2信号的最小值和最大值。这一特性使它们适合作为最小/最大峰值锁定的误差信号。

在图6中显示了F1o和F3o信号。F3o对一阶导数的偏置并不敏感，如电流扫描的线性功率增量，且相比理想的传输信号，其对峰值基线导致的最小/最大位置偏移更不敏感，这就是为什么它被选择为PID输入的误差信号。该滤波器配置了一个kp =为1.56·10?2的比例分量，用于快速校正，以及一个ki =为5.59 s?1的积分分量。

锁定控制功能被配置为在F3o超过2048int（红线）时触发闭环关闭事件，并使用“level trigger”。如图6，橙色线叠加在正常扫描信号上。在这个例子中，通过10分钟的测量，锁定后的光频率达到了226（13）kHz的稳定性。频率偏差是根据F3o标准偏差和对锁定的峰值位置上的F3o斜率的知识来估计的。CTRL_A被用来测量对系统的修正，作为估计激光器在开环系统中工作时的频率偏差：54(4) MHz RMS over 10min。

结论：Redpitaya STEMlab 125-14是用于信号处理的FPGA快速确定性定时，用于整体监测和控制的微处理器上操作系统的结合，提供了可编程电子精度和算法通用性之间的平衡。选择一个性价比较高的FPGA板可以在实验中的简化数据采集和应用，同时搭载了进行数字处理、采集和反馈控制的嵌入式工具包app。FPGA工具包的设计和软件是开源的的，甚至操作系统和应用框架都是开源的，这鼓励其他人使用、修改和添加新特性或bug修复。此外，紧凑的设计和可远程编程特性使该工具包在多个集中监测和操作的控制系统的可以大规模实现。

致谢：感谢布宜诺斯艾利斯大学的Marcelo Alejandro Luda等开发该应用，向我们提供实验测试细节及redpitaya使用反馈。

参考文献：[1] Marcelo Alejandro Luda, et al; Compact embedded device for lock-in measurements and experiment active control.?Rev. Sci. Instrum.?1 February 2019; 90 (2): 023106.
[2]Majumder, P., Yadav, H., Tirupathi, R., Kamalkant, Jain, S., Yadav, P., Ghosh, A., Deo, A. S., & Singh, D. (2023). Advancing frequency locking: Modified FPGA-Guided direct modulation spectroscopy for laser stabilization. Optics and laser technology, 170, Article 110247.

交流与反馈：了解更多有关Redpitaya产品信息，请联系富泰科技产品工程师：

赵一航 15329009237

关于富泰科技：富泰科技（香港）有限公司正式成立于2005年，公司聚焦于激光、光学技术、光通信、数据中心、大数据及人工智能、量子科技、气体检测、光纤传感、超快激光和生命科学等应用，服务客户包括华为、中兴、烽火等系统设备商，阿里、腾讯等互联网公司，中科院、中电科，高校等科研机构和工业企业，以及业内主流的光器件、模块与终端设备制造商。

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富泰科技可为客户提供激光稳频系统所需的大部分器件。富泰可提供630nm-1.5μm典型波段和多种封装形式的激光管光源（630-1120nm Toptica eagleyard）。TEM一体化稳频光源Lasy，覆盖633、780、852、894nm等典型波长；1μm/1.5μm单频超窄线宽激光器（波长可定制）等。同时，富泰科技可提供各类响应迅速、高带宽的稳频电子控制模块Redpitaya、锁相/锁模控制系统TEM lase/phase lock，锁相放大器模块/设备；饱和吸收光谱/PDH反馈装置，此外，还可提供各类原子泡、光学超稳腔、光学元件（1/4波片，半波片，PBS，ISO空间光隔离器）光路调制（AOM、G&H、Exail 780nm-2000nm 强度/相位调制器EOM、advr 300nm-700nm相位调制器）激光器驱动温控芯片、模块和台式设备（Wavelength Electronics）等配套模块及设备。