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.

Lösung:

Optische Isolatoren im Strahlengang

Hohe thermische Stabilität, sodass sich der Abstand nicht ändert (Beispiel zwischen Resonatorspiegel und lambda/4)

PDH-Theorie/Verfahren

<fc #ff0000>PAPER zitieren

Notes on the Pound-Drever-Hall technique by Eric Black This

Fundamentale Limitierung der PDH-Regelung

Ursache: Schrotrauschen

Vorteil einer geringen EOM-frequenz gegenüber einer hohen Freqeuenz: <fc #ff0000>TODO</fc>

PDH-Aufbau

Das detektierte Fehlersignal f_PDH wird tiefpassgefilter und verstärkt (Mischer benötigt genug Leistung)

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

LO-Eingang: DDS-Signal

RF-Frequenzen werden durch einen DDS bereitgestellt (im Bild Cannel 2 und 4), dabei besitzen beide Channel die selbe Frequenz

Da die Mischer 7dBm benötigen, wird an dem Channel 4, dieser Wert eingestellt

Durch die Benutzung eines DDS´s ist es relativ leicht die Phasenlage zwischen den beiden Frequenzen zu verändern, sodass das Fehlersignal optimiert werden kann

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.

Anschließend werden 90° auf den eingestellten Wert der Phase gegeben.

Vermeidung durch Brummschleifen (50 Hz) sollte der Ausgang des Mischers <fc #ff0000>galvanisch</fc> getrennt 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

PDH-BOX detaierte bescheid wissen

zwei getrennte Ausgänge mit unterschiedlichen bandbreiten

Ausgang 1: hohe Regelbandbreite

Ausgang 2: niedrige

Schneller Ausgang steuert direkt den RegalbandbreiteLaserdiodenstrom über die parallel geschaltete transistorstufe

Wirkung: Hohe Freuenzanteile der Stöhrung im laserlicht werden herausgeregelt

Langsame Ausgang steuert den Piezoaktuator im laserdiodensystem

Wirkung: Temperaturfluktuationen an der Diode werden herausgeregelt

Optimierung der Stabilisierung erfolgt durch Veränderung der <fc #ff0000>Eckfrequenz (?)</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 <fc #ff0000>(?)</fc>

Verbesserung der Regelbandbreite: Einbau eines Differentiators im PDH-Regelverstärker, dieser die Phasenschiebung durch die Laserdiode zu höheren Frequenzen schiebt.

Charakterisierung der PDH-Stabilisierung

Empfindlichkeit des Fehler- bzw. Diskriminatorsignals bestimmen

Methode: Eine Referenzspannung wird im Regler harmonisch mit f~0.5Hz um einige mV moduliert. Dadurch erzeugte Frequenänderung des Lasersystems kann mit einem anderen Lasersystem untersucht werden.

Die Empfindlichkeit des PDH-Diskriminatorsignals kann aus dem Verhältnis der Freuenzänderung und der Modulationshöhe des Fehlersignals berechnet werden

Messung des Rauschens im unstabilisierten Zustand ohne Licht auf der PDH-PD

Messung des elektronischen Rauschens der PDH-PD

Messung mit eingeschalteten Laserlicht, aber neben einer Resonanzfrequenz (Rauschen sollte bei niedrigen frequenzen ansteigen; Grund: RAM durch den EOM)

Messung in stabilisierten Zustand

Gesamtrauschbeitrag auf den laser berechnen <fc #ff0000>(Formel aus Häfner Doktorarbeit ?)</fc>

Brummrauschen bei 50Hz und 100Hz möglichst mindern (USB-Isolatoren, Netzfilter)