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groups:mg:project_ptb-cavity:pound-drever-hall [2018/01/30 08:55] – ssauergroups:mg:project_ptb-cavity:pound-drever-hall [2024/03/20 09:36] (current) – Admin: Syntax-Update (Migration from deprecated "fontcolor" plugin to "color" plugin) klaus
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 ====== Pound-Drever Hall (PDH) ====== ====== Pound-Drever Hall (PDH) ======
-===== Problem ===== + 
-Externe Etalon-Effekte, die durch Licht entstehen, das vom Resonatorspiegel zurück in den Strahlengang reflektiert wird und Licht, das widerum durch Reflexion an optischen Bauelementen zum Resonator hin reflektiert wird. Die Etalon-Docke wird dann durch Temperatur- und Luftschwankungen geändert. Aufgrunddessen detektiert die PDH-Stabilisierung eine zusätzliche veränderliche Phasenlage und so die Phasenlage zwischen Träger und Seitenbänder geändert.+===== PDH-Theorie/Verfahren ===== 
 + 
 +  * {{ :groups:mg:project_ptb-cavity:bf00702605.pdf |Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator}}, R. W. P. Drever et al., Appl. Phys. B, 31:97-105 (1983) 
 +  * Electronic Frequency Stabilization of Microwave Oscillators, R. V. Pound, Rev. Sci.  Instrum., 17:490-505 (1946) 
 +  * {{ :groups:mg:project_ptb-cavity:t980045-00.pdf | Notes on the Pound-Drever-Hall technique by Eric Black}} 
 + 
 +===== PDH-Vorteile ===== 
 +  * Laserfrequenz eines Laser unabhängig von Schwankungen in seiner Lichtleistung auf einen Resonators zu stabilisieren 
 +  * Regelbandbreiten von einigen Megahertz erhalten, die größer als die Resonatorlinienbreite ist 
 +  * Die Detektion des Fehlersignals, dass von der Abweichung der Laserfrequenz von der Resonazfrequenz abhängt, liegt im Radiofrequenzbereich. Sodass Störungen und technisches Rauschen im Vergleich zu Stabilisierungsverfahren mit einer Detektion im DC-Bereich besser unterdrückt werden: 
 +    * {{ :groups:mg:project_ptb-cavity:1-s2.0-0030401880900693-main.pdf |Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity}}, T.W.Hansch and B.Couillaud, Opt. Commun., 35:441-444 (1980) 
 + 
 +===== Mögliche Probleme im Aufbau ===== 
 +Externe Etalon-Effekte, die durch das Licht zwischen den beiden Effekten entstehen:  
 +  - Licht vom Resonatorspiegel zurück in den Strahlengang reflektiert wird  
 +  - und Licht, das widerum durch Reflexion an optischen Bauelementen zum Resonator hin reflektiert wird.  
 +Die Etalon-Dicke wird dann durch Temperatur- und Luftschwankungen geändert. Aufgrunddessen detektiert die PDH-Stabilisierung eine zusätzliche veränderliche Phasenlage und so die Phasenlage zwischen Träger und Seitenbänder geändert.
     * **Lösung:**      * **Lösung:** 
       * Optische Isolatoren im Strahlengang       * Optische Isolatoren im Strahlengang
       * Hohe thermische Stabilität, sodass sich der Abstand nicht ändert (Beispiel zwischen Resonatorspiegel und lambda/4)       * Hohe thermische Stabilität, sodass sich der Abstand nicht ändert (Beispiel zwischen Resonatorspiegel und lambda/4)
- 
- 
-===== PDH-Theorie/Verfahren ===== 
-<fc #ff0000>PAPER zitieren\\ 
-TODO Berechnung und Formeln\\</fc> 
  
 ===== Fundamentale Limitierung der PDH-Regelung ===== ===== Fundamentale Limitierung der PDH-Regelung =====
  
     * Ursache: Schrotrauschen     * Ursache: Schrotrauschen
 +      * Schrotrauschbegrenzte Detektion mit spektraler Leistungsdichte der Frequenzfluktuation: S_PDH
 +      * Finesse des Resonators: F
 +      * Länge des Resonators: L
 +      * Wellenlänge des Laserlichts: lambda
 +      * Schwebungssignal zwischen dem reflektierten Trägers mit den Seitenbändern der Freqeunz Omega: P_Ref(t)
 +
 +$$ S_{PDH} = \left(\frac{\sqrt{hc^{3}}}{8} \cdot \frac{1}{F \cdot L \cdot\sqrt{\lambda \cdot P_{REF}}} \right)^2 $$
  
 <todo> Messen des Frequenzrauschpegels</todo>\\ <todo> Messen des Frequenzrauschpegels</todo>\\
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 <todo> Berechnung des Schrotrauschens etc.</todo>\\ <todo> Berechnung des Schrotrauschens etc.</todo>\\
  
-  * **Vorteil** einer geringen EOM-frequenz gegenüber einer hohen Freqeuenz: <fc #ff0000>TODO</fc>+  * **Vorteil** einer geringen EOM-frequenz gegenüber einer hohen Freqeuenz: <color #ff0000>TODO</color>
  
  
 ===== PDH-Aufbau ===== ===== PDH-Aufbau =====
 {{:groups:mg:project_ptb-cavity:pdh.png?700|}} {{:groups:mg:project_ptb-cavity:pdh.png?700|}}
-  - Das detektierte Fehlersignal f_PDH wird tiefpassgefilter und verstärkt (Mischer benötigt genug Leistung)+  - Das detektierte Fehlersignal f_PDH wird tiefpassgefilter und verstärkt (Mischer benötigt genug Leistung: LO: 7dBm, RF: 0dBm)
   - Mit Hilfe eines Mischer (dieser unbedingt DC ausgeben kann) wird das Fehlersignal mit der Modulationsfrequenz f_PDH zu einer modulierten Gleichspannung umgewandelt   - Mit Hilfe eines Mischer (dieser unbedingt DC ausgeben kann) wird das Fehlersignal mit der Modulationsfrequenz f_PDH zu einer modulierten Gleichspannung umgewandelt
     - RF-Eingang: PDH-PD Signal     - RF-Eingang: PDH-PD Signal
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     - Der eingezeichnete Phasenschieber ist im Q-DDS eingebaut     - Der eingezeichnete Phasenschieber ist im Q-DDS eingebaut
     - Hierbei wird das RF-Signal hinter dem Mischer angeschaut. Dabei wird die Phase (von Channel 4) so lange gedreht bis der Träger Null wird.     - Hierbei wird das RF-Signal hinter dem Mischer angeschaut. Dabei wird die Phase (von Channel 4) so lange gedreht bis der Träger Null wird.
-    - Anschließend werden 90° auf den eingestellten Wert der Phase gegeben. +    - Anschließend werden 90° auf den eingestellten Wert der Phase gegeben, sodass das Fehlersignal maximal wird. 
-  - Vermeidung durch Brummschleifen (50 Hz) sollte der Ausgang des Mischers <fc #ff0000>galvanisch</fc> getrennt werden+  - Vermeidung durch Brummschleifen (50 Hz) sollte der Ausgang des Mischers <color #ff0000>galvanisch</color> getrennt werden
   - Hinter dem Mischer sollten weitere Tiefpässe angebracht werden, sodass die Modulationsfrequenz und höhere Moden dieser Frequenz herausgefiltert werden   - Hinter dem Mischer sollten weitere Tiefpässe angebracht werden, sodass die Modulationsfrequenz und höhere Moden dieser Frequenz herausgefiltert werden
   - Gefilterte Fehlersignal wird dem PDH-Regler bereitgestellt   - Gefilterte Fehlersignal wird dem PDH-Regler bereitgestellt
   - PDH-BOX detaierte bescheid wissen   - PDH-BOX detaierte bescheid wissen
-    - zwei getrennte Ausgänge mit unterschiedlichen bandbreiten+    - zwei getrennte Ausgänge mit unterschiedlichen Bandbreiten
       - Ausgang 1: hohe Regelbandbreite       - Ausgang 1: hohe Regelbandbreite
       - Ausgang 2: niedrige        - Ausgang 2: niedrige 
Line 51: Line 69:
         - Wirkung: Temperaturfluktuationen an der Diode werden herausgeregelt         - Wirkung: Temperaturfluktuationen an der Diode werden herausgeregelt
  
-  * **Optimierung der Stabilisierung** erfolgt durch Veränderung der <fc #ff0000>Eckfrequenz (?)</fc> +  * **Optimierung der Stabilisierung** erfolgt durch Veränderung der <color #ff0000>Eckfrequenz (?)</color> 
-  * **Regelbandbreite** wird durch die Phasenschiebung in der Laserdiode limitiert. Diese durch die Folgen der Reaktion der optischen Frequenz auf Stromänderung und durch Tiefpasscharakteristik des Resonators für hohre Frequenzen kommen <fc #ff0000>(?)</fc>+  * **Regelbandbreite** wird durch die Phasenschiebung in der Laserdiode limitiert. Diese durch die Folgen der Reaktion der optischen Frequenz auf Stromänderung und durch Tiefpasscharakteristik des Resonators für hohre Frequenzen kommen <color #ff0000>(?)</color>
     * **Verbesserung der Regelbandbreite**: Einbau eines Differentiators im PDH-Regelverstärker, dieser die Phasenschiebung durch die Laserdiode zu höheren Frequenzen schiebt.     * **Verbesserung der Regelbandbreite**: Einbau eines Differentiators im PDH-Regelverstärker, dieser die Phasenschiebung durch die Laserdiode zu höheren Frequenzen schiebt.
  
Line 65: Line 83:
   - Messung mit eingeschalteten Laserlicht, aber neben einer Resonanzfrequenz (Rauschen sollte bei niedrigen frequenzen ansteigen; Grund: RAM durch den EOM)   - Messung mit eingeschalteten Laserlicht, aber neben einer Resonanzfrequenz (Rauschen sollte bei niedrigen frequenzen ansteigen; Grund: RAM durch den EOM)
   - Messung in stabilisierten Zustand   - Messung in stabilisierten Zustand
-  - Gesamtrauschbeitrag auf den laser berechnen <fc #ff0000>(Formel aus Häfner Doktorarbeit ?)</fc>+  - Gesamtrauschbeitrag auf den laser berechnen <color #ff0000>(Formel aus Häfner Doktorarbeit ?)</color>
   - Brummrauschen bei 50Hz und 100Hz möglichst mindern (USB-Isolatoren, Netzfilter)   - Brummrauschen bei 50Hz und 100Hz möglichst mindern (USB-Isolatoren, Netzfilter)