Pound-Drever Hall (PDH)

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)

<fc #ff0000>PAPER zitieren</fc>

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

• Ursache: Schrotrauschen

Messen des Frequenzrauschpegels
Messen der Schrotrauschlimitierung der PD
Messen des elektronischen Rauschens
Einkoppeleffizienz vom Resonator messen [%]
optische Leistung der beiden Seitenbänder (in der Summe) durch RF-Leistung messen [%]
Abschwächung der Vakuumfenster und Heizschild-Fenster messen [%]
Transmissionsleistung vom Resonator messen [W, %]
Berechnung des Schrotrauschens etc.

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

1. Das detektierte Fehlersignal f_PDH wird tiefpassgefilter und verstärkt (Mischer benötigt genug Leistung)
2. Mit Hilfe eines Mischer (dieser unbedingt DC ausgeben kann) wird das Fehlersignal mit der Modulationsfrequenz f_PDH zu einer modulierten Gleichspannung umgewandelt
   1. RF-Eingang: PDH-PD Signal
   2. LO-Eingang: DDS-Signal
3. RF-Frequenzen werden durch einen DDS bereitgestellt (im Bild Cannel 2 und 4), dabei besitzen beide Channel die selbe Frequenz
   1. Da die Mischer 7dBm benötigen, wird an dem Channel 4, dieser Wert eingestellt
4. Durch die Benutzung eines DDS´s ist es relativ leicht die Phasenlage zwischen den beiden Frequenzen zu verändern, sodass das Fehlersignal optimiert werden kann
   1. Der eingezeichnete Phasenschieber ist im Q-DDS eingebaut
   2. Hierbei wird das RF-Signal hinter dem Mischer angeschaut. Dabei wird die Phase (von Channel 4) so lange gedreht bis der Träger Null wird.
   3. Anschließend werden 90° auf den eingestellten Wert der Phase gegeben.
5. Vermeidung durch Brummschleifen (50 Hz) sollte der Ausgang des Mischers <fc #ff0000>galvanisch</fc> getrennt werden
6. Hinter dem Mischer sollten weitere Tiefpässe angebracht werden, sodass die Modulationsfrequenz und höhere Moden dieser Frequenz herausgefiltert werden
7. Gefilterte Fehlersignal wird dem PDH-Regler bereitgestellt
8. PDH-BOX detaierte bescheid wissen
   1. zwei getrennte Ausgänge mit unterschiedlichen bandbreiten
      1. Ausgang 1: hohe Regelbandbreite
      2. Ausgang 2: niedrige
      3. Schneller Ausgang steuert direkt den RegalbandbreiteLaserdiodenstrom über die parallel geschaltete transistorstufe
         1. Wirkung: Hohe Freuenzanteile der Stöhrung im laserlicht werden herausgeregelt
      4. Langsame Ausgang steuert den Piezoaktuator im laserdiodensystem
         1. 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.

1. 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
2. Messung des Rauschens im unstabilisierten Zustand ohne Licht auf der PDH-PD
3. Messung des elektronischen Rauschens der PDH-PD
4. Messung mit eingeschalteten Laserlicht, aber neben einer Resonanzfrequenz (Rauschen sollte bei niedrigen frequenzen ansteigen; Grund: RAM durch den EOM)
5. Messung in stabilisierten Zustand
6. Gesamtrauschbeitrag auf den laser berechnen <fc #ff0000>(Formel aus Häfner Doktorarbeit ?)</fc>
7. Brummrauschen bei 50Hz und 100Hz möglichst mindern (USB-Isolatoren, Netzfilter)

Messung der Regelbandbreite (auch für unterschiedliche laserleistungen)
Aufnahme des PDH-fehlersignals
Berechnung der Empfindlichkeit des Fehler- bzw. Diskriminatorsignals