高フィネスキャビティに、簡単レーザー周波数ロック
Moku:Proを使用して、レーザーを超安定・高フィネスキャビティにロックしている方法
2022年7月11日
概要
オーストラリア国立大学のCentre for Gravitational Astrophysics/OzGravでは、Andrew Wade博士とそのチームが、長距離・高精度レーザーセンシングプロジェクトで使用する超安定周波数基準ソースを開発しています。Moku:ProのLaser Lock BoxとそのFPGAベースのデジタル実装により、以前のカスタムセットアップと比較して、ロックとチューニングパラメーターを簡単に取得でき、よりアクセスしやすく、堅牢なソリューションが実現しました。
挑戦
ANUの研究者たちは、宇宙を利用したレーザーセンシング技術の開発において、レーザー周波数の非常に精密な測定と制御に依存しています。衛星間など長距離をレーザーで計測する場合、レーザーの周波数がわずかに変化するだけで、計測に大きな不確かさやノイズが発生します。レーザーの周波数を決定し、その周波数の時間的な変動を抑えることが、ANUでの研究の鍵です。さらに、レーザーや周波数基準（共振器）がそれぞれカスタムであるため、制御システムもそれぞれのセットアップに合わせる必要があるという課題もあります。 Wade博士は「アナログ回路は、帯域幅やループのレイテンシーに優れていますが、一般的にオフセットや環境によるドリフト、スプリアス・クロスカップリングなどの影響を受けやすくなっています。また、ループのロックやチューニングは、物理的にスイッチを押したり、フロントパネルのノブで調整したりと、手動で行うことが多いという問題があります」と述べています。レーザーロック装置の種類は非常に限られており、ほとんどの研究室では性能上の理由から自作しており、その構築と維持に多大なオーバーヘッドがかかっています。
図1：10万フィネスの基準共振器にレーザーを固定するANUラボのセットアップ
Wade博士と彼のチームは、市販されている中で最も精巧なキャビティを使用しており、さらなる挑戦をしています。10万フィネス空洞の共振が極めて狭いため、PDH（Pound-Drever-Hall）エラー信号の線形捕捉範囲が非常に小さく、ロックを獲得することが困難でした。
解決策
Moku:Proのレーザーロックボックスのデジタル実装は、アナログ回路設計アプローチの欠点の多くに対応しています。FPGAベースのアーキテクチャにより、異なるレーザーやリファレンスに対応するための再構成が可能です。また、パラメーターのリアルタイムチューニングやエラーおよび制御信号の可視化により、ループ設計の最適化プロセスがより簡単になりました。 Moku:Proは、キャビティロックユニットを内蔵し、直感的なユーザーインターフェースを提供することで、フィードバックコントローラーのロックとチューニングをより身近にし、複雑さと故障の可能性を低減しています。「断線したワイヤーをデバッグしたり、PCBにハンダで修正したりするのは、もう過去のことのようです」とWade博士は言います。「デジタル化、復調、周波数整形、アクチュエーターのブレンディングの全ての要素が1つのユニットで行われるため、設置や稼働が迅速に行えます。
図2：レーザーロックボックスiPadのインターフェースブロック図と、エラー信号と制御信号を示す中間プローブポイント
Moku:Proのマルチインスツルメントモードを利用することで、追加の試験装置や配線なしに、レーザーロックボックスでレーザーを光共振器にロックしながら、周波数応答アナライザーでボード線図を測定することが可能になります。周波数応答アナライザーは誤差信号に外乱を注入してシステムの伝達関数を測定し、閉ループの利得と位相余裕、およびループの外乱除去性能をチェックすることができます。研究者は、周波数応答アナライザーとレーザーロックボックスを素早く切り替えてPIDパラメーターを調整し、ループ性能を最適化することで安定性を確保し、外乱を最大限に抑制することができます。
図3：マルチインスツルメントモードの周波数応答アナライザを使用して、ボード線図上で制御ループの位相余裕を測定する研究者
ANUからLiquid Instruments社へのフィードバックにより、レーザーロックボックスに復調不要の入力が追加され、Moku:Proの標準装置群を用いてカスタムレーザー共振器読み出し方式を実装することが可能になりました。この新機能により、独自のカスタムシステムを構築する必要がなくなり、大幅な時間短縮が可能となり、Moku:Proのソフトウェアデファインドアプローチのメリットが浮き彫りになりました。 研究者は、周波数安定度やループ特性に関するデータを収集した後、文書化、出版、オフラインでのモデリング用に保存してエクスポートします。Moku:ProのWi-Fi接続により、リモートで迅速に行うことができます。レーザー周波数安定度データは、ストレージのサイズに制限されることなく、非常に長いログ時間にわたって連続的に記録することができます。
結果
Moku:Proの機能と柔軟性を組み合わせることで、ANUはカスタムシステムを構築・維持するためのオーバーヘッドを回避し、迅速に立ち上げることができました。
「レーザーロッキングをMoku:Proに切り替えることで、セットアップの時間が大幅に短縮され、直感的なユーザーインターフェースによりパラメーターのチューニングがより簡単になりました」と、Wade博士は述べています。このソリューションは、再構成やアップグレードが可能なため、宇宙を利用したレーザーセンシング技術の研究を続ける中で、新しい実験に対応することができます。