Manuel d'instructions du contrôleur servo rapide PID de Moglabs

Feedback frequency stabilisation of lasers can be complex. It is recommended to review control theory textbooks and literature on laser frequency stabilisation for a better understanding.

Connexions et commandes

Commandes du panneau avant

The front panel controls are used for immediate adjustments and monitoring. These controls are essential for real-time adjustments during operation.

Commandes et connexions du panneau arrière

The rear panel controls and connections provide interfaces for external devices and peripherals. Properly connecting these ensures smooth operation and compatibility with external systems.

Commutateurs DIP internes

The internal DIP switches offer additional configuration options. Understanding and correctly setting these switches are crucial for customizing the controller’s behavior.

FAQ

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une entreprise Santec
Contrôleur de servo rapide
Version 1.0.9, Rev 2 matériel

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Introduction

Le FSC MOGLabs fournit les éléments essentiels d'un contrôleur d'asservissement à large bande passante et faible latence, principalement destiné à la stabilisation de fréquence laser et au rétrécissement de largeur de raie. Le FSC peut également être utilisé pour ampcontrôle de la hauteur, par exempleample pour créer un « mangeur de bruit » qui stabilise la puissance optique d'un laser, mais dans ce manuel, nous supposons l'application la plus courante de la stabilisation de fréquence.

1.1 Théorie de base du contrôle par rétroaction
La stabilisation de la fréquence par rétroaction des lasers peut s'avérer complexe. Nous encourageons les lecteurs à consulterview manuels de théorie du contrôle [1, 2] et littérature sur la stabilisation de fréquence laser [3].
Le concept de contrôle par rétroaction est illustré schématiquement à la figure 1.1. La fréquence du laser est mesurée à l'aide d'un discriminateur de fréquence qui génère un signal d'erreur proportionnel à la différence entre la fréquence laser instantanée et la fréquence souhaitée ou de consigne. Les discriminateurs courants incluent les cavités optiques et la détection Pound-Drever-Hall (PDH) [4] ou Hänsch-Couillaud [5] ; le verrouillage d'offset [6] ; ou de nombreuses variantes de la spectroscopie d'absorption atomique [7].

Signal d'erreur

Servo

Signal de commande

Laser

Discriminateur de fréquence dV/df
Figure 1.1 : Schéma fonctionnel simplifié d’une boucle de contrôle de rétroaction.

Chapitre 1. Introduction

1.1.1 Signaux d'erreur
La principale caractéristique commune de la régulation par rétroaction est que le signal d'erreur utilisé pour la régulation doit changer de signe lorsque la fréquence laser passe au-dessus ou en dessous de la consigne, comme illustré à la figure 1.2. À partir de ce signal d'erreur, un servomoteur ou un compensateur de rétroaction génère un signal de commande pour un transducteur du laser, de sorte que la fréquence laser soit amenée vers la consigne souhaitée. Ce signal de commande change de signe en même temps que le signal d'erreur, garantissant ainsi que la fréquence laser soit toujours poussée vers la consigne, et non pas éloignée de celle-ci.

Erreur

f
0
Fréquence f

f Fréquence f
DÉCALAGE D'ERREUR

Figure 1.2 : Signal d'erreur dispersif théorique, proportionnel à la différence entre la fréquence laser et la fréquence de consigne. Un décalage du signal d'erreur décale le point de verrouillage (à droite).
Il convient de distinguer un signal d'erreur d'un signal de commande. Un signal d'erreur mesure la différence entre la fréquence laser réelle et la fréquence laser souhaitée, en principe instantanée et sans bruit. Un signal de commande est généré à partir du signal d'erreur par un servomoteur ou un compensateur à rétroaction. Ce signal pilote un actionneur tel qu'un transducteur piézoélectrique, le courant d'injection d'une diode laser ou un modulateur acousto-optique ou électro-optique, de sorte que la fréquence laser revienne à la valeur de consigne. Les actionneurs ont des fonctions de réponse complexes, avec des déphasages finis, un gain dépendant de la fréquence et des résonances. Un compensateur doit optimiser la réponse de commande afin de réduire l'erreur au minimum.

1.1 Théorie de base du contrôle par rétroaction

1.1.2 Réponse en fréquence d'un servomoteur à rétroaction
Le fonctionnement des servos à rétroaction est généralement décrit en termes de réponse en fréquence de Fourier, c'est-à-dire le gain de la rétroaction en fonction de la fréquence d'une perturbation. Par exempleampUne perturbation courante est la fréquence du secteur, égale à 50 Hz ou 60 Hz. Cette perturbation modifie la fréquence du laser d'une certaine amplitude, à une fréquence de 50 ou 60 Hz. Son effet sur le laser peut être faible (par exemple, 0 ± 1 kHz, où 0 est la fréquence laser non perturbée) ou important (0 ± 1 MHz). Quelle que soit l'ampleur de cette perturbation, sa fréquence de Fourier est de 50 ou 60 Hz. Pour supprimer cette perturbation, un servomoteur à rétroaction doit avoir un gain élevé à 50 et 60 Hz afin de pouvoir la compenser.
Le gain d'un servo-contrôleur a généralement une limite basse fréquence, généralement définie par la limite de bande passante de gain de l'op.amps utilisés dans le contrôleur d'asservissement. Le gain doit également être inférieur au gain unitaire (0 dB) aux fréquences élevées afin d'éviter d'induire des oscillations dans la sortie de commande, telles que le sifflement aigu familier des systèmes audio (communément appelé « retour audio »). Ces oscillations se produisent pour des fréquences supérieures à l'inverse du délai de propagation minimal du système combiné laser, discriminateur de fréquence, asservissement et actionneur. Généralement, cette limite est dominée par le temps de réponse de l'actionneur. Pour les piézoélectriques utilisés dans les lasers à diode à cavité externe, la limite est généralement de quelques kHz, et pour la réponse de modulation en courant de la diode laser, elle se situe entre 100 et 300 kHz.
La figure 1.3 présente un graphique conceptuel du gain en fonction de la fréquence de Fourier pour le FSC. Afin de minimiser l'erreur de fréquence laser, la zone sous le graphique du gain doit être maximisée. Les servo-contrôleurs PID (proportionnel, intégral et différentiel) sont une approche courante, où le signal de commande est la somme de trois composantes dérivées d'un signal d'erreur d'entrée. La rétroaction proportionnelle (P) vise à compenser rapidement les perturbations, tandis que la rétroaction intégratrice (I) offre un gain élevé pour les décalages et les dérives lentes, et la rétroaction différentielle (D) ajoute un gain supplémentaire pour les variations brusques.

Chapitre 1. Introduction

Gain (dB)

Coupure haute fréquence Double intégrateur

INT RAPIDE GAIN RAPIDE
DIFFÉRENCE RAPIDE GAIN DIFFÉRENCE (limite)

Intégrateur

GAIN LF RAPIDE (limite)

Intégrateur

Proportionnel

Différenciateur

Filtre

INT LENTE

20101

102

103

104

105

106

107

108

Fréquence de Fourier [Hz]

Figure 1.3 : Diagramme de Bode conceptuel illustrant l'action des régulateurs rapide (rouge) et lent (bleu). Le régulateur lent est un intégrateur simple ou double avec fréquence de coupure réglable. Le régulateur rapide est un PID avec fréquence de coupure réglable et limites de gain aux basses et hautes fréquences. Le différentiateur peut être désactivé et remplacé par un filtre passe-bas.

Connexions et commandes

2.1 Commandes du panneau avant
Le panneau avant du FSC dispose d'un grand nombre d'options de configuration qui permettent de régler et d'optimiser le comportement du servo.
Veuillez noter que les commutateurs et les options peuvent varier selon les révisions matérielles, veuillez consulter le manuel de votre appareil spécifique comme indiqué par le numéro de série.

Contrôleur de servo rapide

CA CC

SAISIR
PD 0
RÉF
CHB

+

SIGNALISATION RAPIDE
+

SIGNE DE Ralentissement

INT

75 100 250

50k 100k 200k

10M 5M 2.5M

500

20 XNUMX

500 XNUMX $ DE RÉDUCTION

750 10k

1M 200k

750 XNUMX

DÉSACTIVÉ

1 XNUMX $ DE RÉDUCTION

2M 100k

500 XNUMX

EXT

50 XNUMX

250 XNUMX

25 XNUMX

100 XNUMX

PORTÉE
TAUX

INT LENTE

INT RAPIDE

DIFF/FILTRE RAPIDE
12

BIAIS
DÉCALAGE DE FRÉQUENCE

GAIN LENT

GAIN RAPIDE

GAIN DIFFÉRENTIEL

30 20 10
0

IMBRIQUÉ

BALAYAGE

VERROUILLAGE MAXIMUM

LENT

LIMITE DE GAIN

SCAN SCAN+P
VERROUILLAGE
RAPIDE

DÉCALAGE D'ERREUR

STATUT

ERREUR LENTE

RAMP

ERREUR RAPIDE

BIAIS

CHB

RAPIDE

CHA

LENT

MON1

ERREUR LENTE

RAMP

ERREUR RAPIDE

BIAIS

CHB

RAPIDE

CHA

LENT

MON2

2.1.1 Configuration INPUT Selects error signal coupling mode; see figure 3.2. AC Fast error signal is AC-coupled, slow error is DC coupled. DC Both fast and slow error signals are DC-coupled. Signals are DC-coupled, and the front-panel ERROR OFFSET is applied for control of the lock point. CHB Selects input for channel B: photodetector, ground, or a variable 0 to 2.5 V reference set with the adjacent trimpot.
SIGNE RAPIDE Signe de la rétroaction rapide. SIGNE LENT Signe de la rétroaction lente.
5

Connexions et commandes

2.1.2 Ramp contrôle
Le r interneamp Le générateur assure une fonction de balayage de la fréquence laser, généralement via un actionneur piézoélectrique, une injection de courant par diode, ou les deux. Une sortie de déclenchement est synchronisée avec le signal r.amp est prévu sur le panneau arrière (TRIG, 1M ).
INT/EXT Interne ou externe ramp pour le balayage de fréquence.
Potentiomètre de réglage RATE pour régler le taux de balayage interne.
BIAS : lorsque le DIP3 est activé, la sortie lente, mise à l'échelle par ce potentiomètre, est ajoutée à la sortie rapide. Cette anticipation de polarisation est généralement nécessaire lors du réglage de l'actionneur piézoélectrique d'un ECDL afin d'éviter les sauts de mode. Cependant, cette fonctionnalité est déjà offerte par certains contrôleurs laser (comme le DLC MOGLabs) et ne doit être utilisée que lorsqu'elle n'est pas disponible ailleurs.
SPAN Règle le ramp hauteur, et donc l'étendue du balayage de fréquence.
FREQ OFFSET Ajuste le décalage CC sur la sortie lente, fournissant efficacement un décalage statique de la fréquence laser.

2.1.3 Variables de boucle
Les variables de boucle permettent le gain des fonctions proportionnelle, intégratrice et différentiatrice.tages à ajuster. Pour l'intégrateur et le différentiateur stages, le gain est présenté en termes de fréquence de gain unitaire, parfois appelée fréquence d'angle.
SLOW INT Fréquence d'angle de l'intégrateur servo lent ; peut être désactivée ou ajustée de 25 Hz à 1 kHz.
GAIN LENT Gain servo lent à un tour ; de -20 dB à +20 dB.
FAST INT Fréquence d'angle de l'intégrateur servo rapide ; désactivée ou réglable de 10 kHz à 2 MHz.

2.1 Commandes du panneau avant

GAIN RAPIDE Gain proportionnel servo rapide à dix tours ; de -10 dB à +50 dB.
DIFFÉRENTIEL/FILTRE RAPIDE : contrôle la réponse du servomoteur haute fréquence. En position « OFF », la réponse du servomoteur reste proportionnelle. En tournant dans le sens horaire, le différenciateur est activé avec la fréquence de coupure associée. Notez que la diminution de la fréquence de coupure augmente l'action du différenciateur. En position « soulignée », le différenciateur est désactivé et un filtre passe-bas est appliqué à la sortie du servomoteur. La réponse est alors atténuée au-delà de la fréquence spécifiée.
Gain différentiel : limite de gain haute fréquence sur le servo rapide ; chaque incrément modifie le gain maximal de 6 dB. Aucun effet sauf si le différentiateur est activé, c'est-à-dire si la valeur de « DIFFÉRENCE RAPIDE » n'est pas soulignée.

2.1.4 Commandes de verrouillage
LIMITE DE GAIN Limite de gain basse fréquence sur le servo rapide, en dB. MAX représente le gain maximal disponible.
OFFSET D'ERREUR : décalage CC appliqué aux signaux d'erreur lorsque le mode ENTRÉE est réglé sur . Utile pour un réglage précis du point de verrouillage ou pour compenser la dérive du signal d'erreur. Le potentiomètre adjacent permet d'ajuster l'offset d'erreur du servo lent par rapport au servo rapide, et peut être réglé pour garantir que les servos rapides et lents fonctionnent exactement à la même fréquence.
LENT Active le servomoteur lent en réglant SCAN sur LOCK. En mode NESTED, le volume de commande lent est activé.tage est introduit dans le signal d'erreur rapide pour un gain très élevé à basses fréquences en l'absence d'un actionneur connecté à la sortie lente.
FAST contrôle le servomoteur rapide. En mode SCAN+P, la rétroaction proportionnelle est transmise à la sortie rapide pendant le balayage du laser, ce qui permet son étalonnage. En mode LOCK, le balayage est interrompu et le contrôle PID est activé.

Chapitre 2. Connexions et commandes

STATUT Indicateur multicolore affichant l'état du verrou.
Vert : Marche, verrouillage désactivé. Orange : Verrouillage activé, mais signal d'erreur hors de portée, indiquant le verrouillage.
a échoué. Le verrouillage bleu est activé et le signal d'erreur est dans les limites.

2.1.5 Surveillance du signal
Deux encodeurs rotatifs sélectionnent les signaux spécifiés à acheminer vers les sorties MONITOR 1 et MONITOR 2 du panneau arrière. La sortie TRIG est une sortie compatible TTL (1M) qui commute de bas en haut au centre du balayage. Le tableau ci-dessous définit les signaux.

CHA CHB RAPIDE ERREUR LENT ERR RAMP BIAIS RAPIDE LENT

Entrée du canal A Entrée du canal B Signal d'erreur utilisé par le servo rapide Signal d'erreur utilisé par le servo lent Ramp appliqué à SLOW OUT Ramp tel qu'appliqué à FAST OUT lorsque DIP3 est activé Signal de contrôle FAST OUT Signal de contrôle SLOW OUT

2.2 Commandes et connexions du panneau arrière

MONITEUR 2 VERROUILLÉ

MONITEUR 1

BALAYER

GAGNER EN

POUBELLE

UN DANS

En série:

TRIGONOMÉTRIE

SORTIE RAPIDE SORTIE LENTE

ENTRÉE MOD

PUISSANCE B

PUISSANCE A

Tous les connecteurs sont SMA, sauf indication contraire. Toutes les entrées sont protégées contre les surtensions.tage protégé à ±15 V.
Alimentation IEC L'unité doit être préréglée sur le volume appropriétage pour votre pays. Veuillez consulter l'annexe D pour obtenir des instructions sur le changement de la tension d'alimentation.tage si besoin.
Entrées de signal d'erreur pour les canaux A et B, généralement des photodétecteurs. Haute impédance, plage nominale ± 2 V. Le canal B est inutilisé, sauf si le commutateur CHB du panneau avant est réglé sur PD.
ALIMENTATION A, B : alimentation CC à faible bruit pour photodétecteurs ; ± 12 V, 125 mA, fournie par un connecteur M8 (référence TE Connectivity : 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, mâle 3 broches). Compatible avec les PDA MOGLabs et les photodétecteurs Thorlabs. À utiliser avec des câbles M8 standard, par exemple.ampLe Digikey 277-4264-ND. Assurez-vous que les photodétecteurs sont éteints lors de leur connexion aux alimentations afin d'éviter tout blocage de leurs sorties.
GAIN EN VoltagGain proportionnel contrôlé électroniquement du servomoteur rapide, ±1 V, correspondant à la plage complète du bouton du panneau avant. Remplace le contrôle FAST GAIN du panneau avant lorsque le DIP1 est activé.
BALAYAGE EXTERNE ramp l'entrée permet un balayage de fréquence arbitraire, de 0 à 2.5 V. Le signal doit dépasser 1.25 V, ce qui définit le centre du balayage et le point de verrouillage approximatif.

Chapitre 2. Connexions et commandes

3 4

1 +12V

3 -12 V

4 0 V

Figure 2.1 : Brochage du connecteur M8 pour POWER A, B.

MOD IN : Entrée de modulation à large bande passante, ajoutée directement à la sortie rapide, ±1 V si DIP4 est activé. Notez que si DIP4 est activé, MOD IN doit être connecté à une alimentation ou correctement terminé.
SLOW OUT Sortie de signal de commande lente, 0 V à 2.5 V. Normalement connecté à un pilote piézo ou à un autre actionneur lent.
Sortie de signal de commande rapide, ±2 V. Normalement connectée au courant d'injection de diode, au modulateur acousto- ou électro-optique ou à un autre actionneur rapide.
MONITOR 1, 2 Sortie de signal sélectionnée pour la surveillance.
TRIG Sortie TTL basse à haute au centre du balayage, 1M.
Commande de balayage/verrouillage TTL LOCK IN ; connecteur stéréo 3.5 mm, gauche/droite (broches 2 et 3) pour le verrouillage lent/rapide ; le niveau bas (masse) est actif (verrouillage activé). Le commutateur de balayage/verrouillage du panneau avant doit être sur SCAN pour que LOCK IN soit effectif. Le câble Digikey CP-2207-ND est fourni avec une fiche de 3.5 mm avec des embouts : rouge pour le verrouillage lent, noir fin pour le verrouillage rapide et noir épais pour la masse.

321

1 Sol 2 Verrouillage rapide 3 Verrouillage lent

Figure 2.2 : Brochage du connecteur stéréo 3.5 mm pour le contrôle de balayage/verrouillage TTL.

2.3 Commutateurs DIP internes

2.3 Commutateurs DIP internes
Il existe plusieurs commutateurs DIP internes qui fournissent des options supplémentaires, tous réglés sur OFF par défaut.
AVERTISSEMENT Il existe un risque d'exposition à des niveaux de voltages à l'intérieur du FSC, notamment autour de l'alimentation électrique.

DÉSACTIVÉ

1 Gain rapide

Bouton du panneau avant

2 Rétroaction lente Intégrateur unique

3 Biais

Ramp ralentir seulement

4 MOD externe désactivé

5 Décalage

Normale

6 Balayage

Positif

7 Couplage rapide DC

8 Décalage rapide

ON Signal externe Double intégrateur Ramp trop rapide et trop lent Activé Fixé au point médian Négatif CA -1 V

DIP 1 Si ON, le gain du servo rapide est déterminé par le potentiel appliqué au connecteur GAIN IN du panneau arrière au lieu du bouton FAST GAIN du panneau avant.
Le servomoteur lent DIP 2 est un intégrateur simple (OFF) ou double (ON). Il doit être sur OFF si vous utilisez le mode de fonctionnement « imbriqué » des servomoteurs lents et rapides.
DIP 3 : si activé, génère un courant de polarisation proportionnel à la sortie du servomoteur lent afin d'éviter les sauts de mode. À activer uniquement si le contrôleur laser ne le fournit pas déjà. Doit être désactivé lorsque le FSC est utilisé avec un DLC MOGLabs.
DIP 4 : si activé, il active la modulation externe via le connecteur MOD IN situé sur le panneau arrière. La modulation est appliquée directement à la sortie FAST OUT. Lorsqu'elle est activée mais non utilisée, l'entrée MOD IN doit être fermée pour éviter tout comportement indésirable.
DIP 5 : si activé, il désactive le bouton de décalage du panneau avant et fixe le décalage au point médian. Utile en mode balayage externe pour éviter les erreurs accidentelles.

Chapitre 2. Connexions et commandes

changer la fréquence du laser en appuyant sur le bouton de décalage.
DIP 6 Inverse le sens du balayage.
DIP 7 Fast AC. Doit normalement être activé, afin que le signal d'erreur rapide soit couplé en courant alternatif aux servos de rétroaction, avec une constante de temps de 40 ms (25 Hz).
DIP 8 Si activé, un décalage de -1 V est ajouté à la sortie rapide. DIP 8 doit être désactivé lorsque le FSC est utilisé avec les lasers MOGLabs.

Feedback control loops

Le FSC dispose de deux canaux de rétroaction parallèles pouvant piloter simultanément deux actionneurs : un actionneur « lent », généralement utilisé pour modifier considérablement la fréquence laser sur des échelles de temps lentes, et un second actionneur « rapide ». Le FSC assure un contrôle précis de chaque actionneur.tage de la boucle d'asservissement, ainsi qu'un balayage (ramp) générateur et surveillance pratique du signal.

SAISIR

DÉCALAGE D'ERREUR

UN DANS

B
POUBELLE

0 V +
VREF
0v

CHB

SIGNE RAPIDE Blocage rapide CA [7] CC
SIGNE DE Ralentissement

MODULATION ET BALAYAGE

TAUX

Ramp

INT / EXT

Pente [6] BALAYAGE

PORTÉE
0v

+
COMPENSER

ENTRÉE MOD

0v
Mod [4]

0v
Décalage fixe [5]

TRIGONOMÉTRIE

0v 0v
+
BIAIS
0v 0v
Biais [3]

VERROUILLAGE (RAPIDE) VERROUILLAGE (LENT) RAPIDE = VERROUILLAGE LENT = VERROUILLAGE
balayage LF
SORTIE RAPIDE +

SERVO RAPIDE
GAIN EN GAIN RAPIDE

Gain externe [1] P

0v
IMBRIQUÉ
RAPIDE = VERROUILLER VERROUILLER (RAPIDE)

D
0v

SERVO LENT
Gain d'erreur lent GAIN LENT

INT LENTE
#1

balayage LF

INT LENTE

0v
Double intégrateur [2]

Ralentissez

Figure 3.1 : Schéma du MOGLabs FSC. Les étiquettes vertes correspondent aux commandes du panneau avant et aux entrées du panneau arrière, les étiquettes marron correspondent aux commutateurs DIP internes et les étiquettes violettes correspondent aux sorties du panneau arrière.

Chapitre 3. Boucles de contrôle par rétroaction

3.1 Entréestage
L'entrée stage du FSC (figure 3.2) génère un signal d'erreur tel que VERR = VA – VB – VOFFSET. VA est prélevé sur le connecteur SMA « A IN » et VB est réglé à l'aide du sélecteur CHB, qui choisit entre le connecteur SMA « B IN », VB = 0 ou VB = VREF tel que réglé par le potentiomètre adjacent.
Le contrôleur agit pour ramener le signal d'erreur à zéro, ce qui définit le point de verrouillage. Certaines applications peuvent bénéficier de légers ajustements du niveau CC pour ajuster ce point de verrouillage. Ce réglage peut être obtenu grâce au bouton 10 tours « ERR OFFSET » pour un décalage jusqu'à ±0 V, à condition que le sélecteur d'entrée (INPUT) soit réglé sur « offset ». Des décalages plus importants peuvent être obtenus avec le potentiomètre REF.

SAISIR

+ AC

DÉCALAGE D'ERREUR

UN DANS

B
POUBELLE

SIGNE RAPIDE CA rapide [7] FE ERREUR RAPIDE

Bloc CC

Erreur rapide

0 V +
VREF
0v

CHB

SIGNE DE Ralentissement

Erreur lente SE SLOW ERR

Figure 3.2 : Schéma des entrées FSCtage montrant les contrôles de couplage, de décalage et de polarité. Les hexagones sont des signaux surveillés disponibles via les sélecteurs de moniteur du panneau avant.

3.2 Boucle d'asservissement lente
La figure 3.3 illustre la configuration à rétroaction lente du FSC. Un gain variabletagLe contrôle se fait par le bouton SLOW GAIN en façade. Le contrôleur fonctionne soit comme un intégrateur simple, soit comme un intégrateur double.

3.2 Boucle d'asservissement lente

Selon l'activation ou non du DIP2. La constante de temps de l'intégrateur lent est contrôlée par le bouton SLOW INT en face avant, dont l'étiquette indique la fréquence de coupure associée.

SERVO LENT
Gain d'erreur lent GAIN LENT

Intégrateurs
INT LENTE
#1

balayage LF

INT LENTE

0v
Double intégrateur [2]

Ralentissez
LF LENT

Figure 3.3 : Schéma d'un servomoteur à rétroaction lente I/I2. Les hexagones sont des signaux surveillés disponibles via les sélecteurs du panneau avant.

Avec un seul intégrateur, le gain augmente avec la fréquence de Fourier plus basse, avec une pente de 20 dB par décade. L'ajout d'un second intégrateur porte la pente à 40 dB par décade, réduisant ainsi le décalage à long terme entre les fréquences réelle et de consigne. Une augmentation excessive du gain entraîne des oscillations, le contrôleur réagissant de manière excessive aux variations du signal d'erreur. C'est pourquoi il est parfois judicieux de limiter le gain de la boucle de régulation aux basses fréquences, où une réponse importante peut provoquer un saut de mode laser.
Le servomoteur lent offre une large plage de réglage pour compenser les dérives à long terme et les perturbations acoustiques, tandis que l'actionneur rapide, quant à lui, possède une plage réduite mais une bande passante élevée pour compenser les perturbations rapides. L'utilisation d'un double intégrateur garantit que le servomoteur lent présente la réponse dominante à basse fréquence.
Pour les applications ne comportant pas d'actionneur lent séparé, le signal de commande lent (erreur intégrée simple ou double) peut être ajouté au signal rapide en réglant le commutateur SLOW sur « NESTED ». Dans ce mode, il est recommandé de désactiver le double intégrateur du canal lent avec le DIP2 afin d'éviter une triple intégration.

Chapitre 3. Boucles de contrôle par rétroaction

3.2.1 Mesure de la réponse lente du servo
La boucle d'asservissement lente est conçue pour compenser les dérives lentes. Pour observer la réponse de la boucle lente :
1. Réglez MONITOR 1 sur SLOW ERR et connectez la sortie à un oscilloscope.
2. Réglez MONITOR 2 sur SLOW et connectez la sortie à un oscilloscope.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Réglez le bouton ERR OFFSET jusqu'à ce que le niveau CC affiché sur le moniteur SLOW ERR soit proche de zéro.
5. Réglez le bouton FREQ OFFSET jusqu'à ce que le niveau CC affiché sur le moniteur SLOW soit proche de zéro.
6. Réglez les volts par division sur l'oscilloscope à 10 mV par division pour les deux canaux.
7. Engagez la boucle d'asservissement lente en réglant le mode SLOW sur LOCK.
8. Réglez lentement le bouton ERR OFFSET de sorte que le niveau CC affiché sur le moniteur SLOW ERR se déplace au-dessus et en dessous de zéro de 10 mV.
9. Lorsque le signal d'erreur intégré change de signe, vous observerez un changement de sortie lent de 250 mV.
Notez que le temps de réponse du servo lent pour dériver jusqu'à sa limite dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment le gain lent, la constante de temps de l'intégrateur lent, l'intégration simple ou double et la taille du signal d'erreur.

3.2 Boucle d'asservissement lente

3.2.2 Volume de sortie lenttage swing (uniquement pour les numéros de série FSC A04… et inférieurs)
La sortie de la boucle de servocommande lente est configurée sur une plage de 0 à 2.5 V pour assurer la compatibilité avec un DLC MOGLabs. L'entrée de commande piézoélectrique DLC SWEEP possède une tension.tagLe gain est de 48, de sorte que l'entrée maximale de 2.5 V génère 120 V sur le piézo. Lorsque la boucle d'asservissement lente est activée, la sortie lente ne fluctue que de ±25 mV par rapport à sa valeur avant l'activation. Cette limitation est intentionnelle pour éviter les sauts de mode laser. Lorsque la sortie lente du FSC est utilisée avec un DLC MOGLabs, une fluctuation de 50 mV à la sortie du canal lent du FSC correspond à une fluctuation de 2.4 V sur la tension piézo.tage qui correspond à un changement de fréquence laser d'environ 0.5 à 1 GHz, comparable à la gamme spectrale libre d'une cavité de référence typique.
Pour une utilisation avec différents contrôleurs laser, une modification plus importante de la sortie lente verrouillée du FSC peut être obtenue par un simple changement de résistance. Le gain en sortie de la boucle de rétroaction lente est défini par R82/R87, le rapport des résistances R82 (500 kΩ) et R87 (100 kΩ). Pour augmenter la sortie lente, augmentez R82/R87, le plus facilement en réduisant R87 en ajoutant une autre résistance en parallèle (boîtier CMS, taille 0402). Par exempleampL'ajout d'une résistance de 30 kΩ en parallèle à la résistance existante de 100 kΩ donnerait une résistance effective de 23 kΩ, augmentant ainsi la variation lente de sortie de ±25 mV à ±125 mV. La figure 3.4 illustre la disposition du circuit imprimé FSC autour de l'op.amp U16.
R329
U16

C36

C362 R85 R331 C44 R87

C71

C35

R81 R82

Figure 3.4 : Disposition du PCB FSC autour de l'op final à gain lentamp U16, avec résistances de réglage de gain R82 et R87 (encerclées) ; taille 0402.

Chapitre 3. Boucles de contrôle par rétroaction

3.3 Boucle d'asservissement rapide
Le servomoteur à rétroaction rapide (figure 3.5) est une boucle PID qui assure un contrôle précis de chacune des composantes de rétroaction proportionnelle (P), intégrale (I) et différentielle (D), ainsi que du gain global du système. La sortie rapide du FSC peut osciller de -2.5 V à 2.5 V, ce qui, avec une diode laser à cavité externe MOGLabs, peut fournir une variation de courant de ± 2.5 mA.

SERVO RAPIDE

GAGNER EN

Gain externe [1]

GAIN RAPIDE

Erreur rapide
Contrôle lent
0v

+ IMBRIQUÉ

RAPIDE = VERROUILLER VERROUILLER (RAPIDE)

PI
D
0v

Contrôle rapide

Figure 3.5 : Schéma du contrôleur PID servo à rétroaction rapide.

La figure 3.6 présente un schéma conceptuel de l'action des boucles d'asservissement rapide et lente. À basses fréquences, la boucle d'intégration rapide (I) domine. Pour éviter toute réaction excessive de la boucle d'asservissement rapide aux perturbations externes (acoustiques) à basse fréquence, une limite de gain basse fréquence est appliquée, contrôlée par le bouton GAIN LIMIT.
Aux fréquences moyennes (10 kHz à 1 MHz), la rétroaction proportionnelle (P) domine. La fréquence de coupure du gain unitaire, à laquelle la rétroaction proportionnelle dépasse la réponse intégrée, est contrôlée par le bouton FAST INT. Le gain global de la boucle P est réglé par le potentiomètre FAST GAIN ou par un signal de commande externe via le connecteur GAIN IN en face arrière.

3.3 Boucle d'asservissement rapide

Gain (dB)

Coupure haute fréquence Double intégrateur

INT RAPIDE GAIN RAPIDE
DIFFÉRENCE RAPIDE GAIN DIFFÉRENCE (limite)

Intégrateur

GAIN LF RAPIDE (limite)

Intégrateur

Proportionnel

Différenciateur

Filtre

INT LENTE

20101

102

103

104

105

106

107

108

Fréquence de Fourier [Hz]

Figure 3.6 : Diagramme de Bode conceptuel illustrant l'action des régulateurs rapide (rouge) et lent (bleu). Le régulateur lent est un intégrateur simple ou double avec une fréquence de coupure réglable. Le régulateur rapide est un compensateur PID avec des fréquences de coupure réglables et des limites de gain aux basses et hautes fréquences. Le différentiateur peut être désactivé et remplacé par un filtre passe-bas.

Les hautes fréquences (1 MHz) nécessitent généralement que la boucle du différenciateur domine pour un meilleur verrouillage. Le différenciateur compense l'avance de phase pour le temps de réponse fini du système et son gain augmente de 20 dB par décade. La fréquence de coupure de la boucle différentielle peut être réglée via le bouton FAST DIFF/FILTER pour contrôler la fréquence à laquelle la rétroaction différentielle domine. Si le bouton FAST DIFF/FILTER est réglé sur OFF, la boucle différentielle est désactivée et la rétroaction reste proportionnelle aux fréquences plus élevées. Pour éviter les oscillations et limiter l'influence du bruit haute fréquence lorsque la boucle de rétroaction différentielle est activée, une limite de gain réglable, DIFF GAIN, limite le différenciateur aux hautes fréquences.
Un différentiateur n'est souvent pas nécessaire, et le compensateur peut bénéficier d'un filtrage passe-bas de la réponse rapide du servomoteur afin de réduire davantage l'influence du bruit. Tournez le bouton FAST DIFF/FILTER

Chapitre 3. Boucles de contrôle par rétroaction

Tournez le bouton dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à partir de la position OFF pour régler la fréquence de coupure du mode de filtrage.
Le servomoteur rapide dispose de trois modes de fonctionnement : SCAN, SCAN+P et LOCK. En mode SCAN, la rétroaction est désactivée et seule la polarisation est appliquée à la sortie rapide. En mode SCAN+P, une rétroaction proportionnelle est appliquée, ce qui permet de déterminer le signe et le gain du servo rapide pendant que la fréquence laser est encore en cours de balayage, simplifiant ainsi la procédure de verrouillage et de réglage (voir § 4.2). En mode LOCK, le balayage est interrompu et la rétroaction PID est entièrement activée.

3.3.1 Mesure de la réponse rapide du servo
Les deux sections suivantes décrivent la mesure de la rétroaction proportionnelle et différentielle en fonction des variations du signal d'erreur. Utilisez un générateur de fonctions pour simuler un signal d'erreur et un oscilloscope pour mesurer la réponse.
1. Connectez MONITOR 1, 2 à un oscilloscope et réglez les sélecteurs sur FAST ERR et FAST .
2. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
3. Connectez le générateur de fonctions à l'entrée CHA.
4. Configurez le générateur de fonctions pour produire une onde sinusoïdale de 100 Hz de 20 mV crête à crête.
5. Réglez le bouton ERR OFFSET de sorte que le signal d'erreur sinusoïdal, tel qu'il apparaît sur le moniteur FAST ERR, soit centré autour de zéro.

3.3.2 Mesure de la réponse proportionnelle · Réduisez la plage à zéro en tournant le bouton SPAN complètement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
· Réglez FAST sur SCAN+P pour activer la boucle de rétroaction proportionnelle.

3.3 Boucle d'asservissement rapide

· Sur l'oscilloscope, la sortie FAST du FSC doit afficher une onde sinusoïdale de 100 Hz.
· Réglez le bouton FAST GAIN pour faire varier le gain proportionnel du servo rapide jusqu'à ce que la sortie soit la même amplitude comme entrée.
· Pour mesurer la réponse en fréquence de la rétroaction proportionnelle, ajustez la fréquence du générateur de fonctions et surveillez la ampla limite de la réponse de sortie FAST. Par exempleample, augmentez la fréquence jusqu'à ce que le ampla litude est divisée par deux, pour trouver la fréquence de gain de -3 dB.

3.3.3 Mesure de la réponse différentielle
1. Réglez FAST INT sur OFF pour désactiver la boucle d'intégration.
2. Réglez le GAIN RAPIDE sur l'unité en suivant les étapes décrites dans la section ci-dessus.
3. Réglez le DIFF GAIN sur 0 dB.
4. Réglez FAST DIFF/FILTER sur 100 kHz.
5. Balayez la fréquence du générateur de fonctions de 100 kHz à 3 MHz et surveillez la sortie FAST.
6. Lorsque vous balayez la fréquence du signal d'erreur, vous devriez voir un gain unitaire à toutes les fréquences.
7. Réglez le DIFF GAIN sur 24 dB.
8. Maintenant, lorsque vous balayez la fréquence du signal d'erreur, vous devriez remarquer une augmentation de la pente de 20 dB par décennie après 100 kHz qui commencera à s'atténuer à 1 MHz, montrant l'opamp limitations de bande passante.
Le gain de la sortie rapide peut être modifié en modifiant les valeurs des résistances, mais le circuit est plus complexe que pour la rétroaction lente (§3.2.2). Contactez MOGLabs pour plus d'informations si nécessaire.

Chapitre 3. Boucles de contrôle par rétroaction

3.4 Modulation et balayage
Le balayage laser est contrôlé soit par un générateur de balayage interne, soit par un signal de balayage externe. Le balayage interne est en dents de scie à période variable, réglée par un commutateur de plage interne à quatre positions (annexe C) et un potentiomètre monotour RATE situé en face avant.
Les boucles d'asservissement rapide et lente peuvent être activées individuellement via des signaux TTL envoyés aux commutateurs du panneau avant associés, situés sur le panneau arrière. Verrouiller l'une ou l'autre boucle arrête le balayage et active la stabilisation.

MODULATION ET BALAYAGE

INT / EXT

TRIGONOMÉTRIE

TAUX

Ramp

Pente [6] BALAYAGE

PORTÉE
0v

+
COMPENSER
0v

0v
Décalage fixe [5]

Contrôle rapide MOD IN

Mod [4]

0v 0v
+
BIAIS
0v 0v
Biais [3]

VERROUILLAGE (RAPIDE)

VERROUILLAGE (LENT)

RAPIDE = VERROUILLÉ LENT = VERROUILLÉ

RAMP RA

balayage LF

BIAIS BS

SORTIE RAPIDE +

HF FAST

Figure 3.7 : Balayage, modulation externe et polarisation de courant anticipée.

Le ramp peut également être ajouté à la sortie rapide en activant DIP3 et en ajustant le potentiomètre BIAS, mais de nombreux contrôleurs laser (tels que le MOGLabs DLC) généreront le courant de polarisation nécessaire en fonction du signal d'asservissement lent, auquel cas il n'est pas nécessaire de le générer également dans le FSC.

4. Demande example: Verrouillage du hall Pound-Drever

Une application typique du FSC consiste à verrouiller en fréquence un laser sur une cavité optique grâce à la technique PDH (fig. 4.1). La cavité agit comme un discriminateur de fréquence, et le FSC maintient le laser en résonance avec elle en contrôlant le piézoélectrique et le courant laser via ses sorties SLOW et FAST respectivement, réduisant ainsi la largeur de raie laser. Une note d'application distincte (AN002) fournit des conseils pratiques détaillés sur la mise en œuvre d'un appareil PDH.

Oscilloscope

TRIGONOMÉTRIE

CH1

CH2

Laser
Mod actuel Piezo SMA

MOE

PBS

Contrôleur DLC

PZT MOD

Cavité LPF

MONITEUR 2 MONITEUR 1 VERROUILLAGE

BALAYAGE EN GAIN EN

POUBELLE

UN DANS

En série:

TRIGONOMÉTRIE

SORTIE RAPIDE SORTIE LENTE MOD IN

PUISSANCE B PUISSANCE A

Figure 4.1 : Schéma simplifié du verrouillage de cavité PDH à l'aide du FSC. Un modulateur électro-optique (EOM) génère des bandes latérales qui interagissent avec la cavité, générant des réflexions mesurées sur le photodétecteur (PD). La démodulation du signal du photodétecteur produit un signal d'erreur PDH.

Diverses autres méthodes peuvent être utilisées pour générer des signaux d'erreur, mais elles ne seront pas abordées ici. La suite de ce chapitre décrit comment obtenir un verrouillage après la génération d'un signal d'erreur.

Chapitre 4. Application example: Verrouillage du hall Pound-Drever

4.1 Configuration du laser et du contrôleur
Le FSC est compatible avec une variété de lasers et de contrôleurs, à condition qu'ils soient correctement configurés pour le mode de fonctionnement souhaité. Pour piloter un ECDL (tel que les lasers MOGLabs CEL ou LDL), les exigences relatives au laser et au contrôleur sont les suivantes :
· Modulation à large bande passante directement dans la tête de lecture laser ou dans le modulateur de phase intra-cavité.
· Haut voltage commande piézoélectrique à partir d'un signal de commande externe.
Génération de courant de polarisation (« courant de polarisation ») pour les lasers nécessitant une polarisation de 1 mA sur toute leur plage de balayage. Le FSC est capable de générer un courant de polarisation en interne, mais la plage peut être limitée par l'électronique de la carte mère ou la saturation du modulateur de phase ; il peut donc être nécessaire d'utiliser la polarisation fournie par le contrôleur laser.
Les contrôleurs laser et les têtes de lit MOGLabs peuvent être facilement configurés pour obtenir le comportement requis, comme expliqué ci-dessous.

4.1.1 Configuration de la tête de lit
Les lasers MOGLabs intègrent une carte mère interne qui relie les composants au contrôleur. Une carte mère intégrant une modulation rapide du courant via un connecteur SMA est nécessaire pour fonctionner avec le FSC. Elle doit être connectée directement à la sortie rapide du FSC.
La carte mère B1240 est fortement recommandée pour une bande passante de modulation maximale, bien que les B1040 et B1047 constituent des alternatives acceptables pour les lasers incompatibles avec la B1240. La carte mère est équipée de plusieurs cavaliers qui doivent être configurés pour une entrée couplée et tamponnée en courant continu (BUF), le cas échéant.

4.2 Réalisation d'un verrouillage initial

4.1.2 Configuration du DLC
Bien que le FSC puisse être configuré pour un balayage interne ou externe, il est beaucoup plus simple d'utiliser le mode de balayage interne et de définir le DLC comme périphérique esclave comme suit :
1. Connectez SLOW OUT à SWEEP / PZT MOD sur le DLC.
2. Activez DIP9 (balayage externe) sur le DLC. Assurez-vous que DIP13 et DIP14 sont désactivés.
3. Désactivez le DIP3 (génération de polarisation) du FSC. Le DLC génère automatiquement la polarisation directe du courant à partir de l'entrée de balayage ; il n'est donc pas nécessaire de générer une polarisation dans le FSC.
4. Réglez SPAN sur le DLC au maximum (complètement dans le sens des aiguilles d'une montre).
5. Réglez la FRÉQUENCE sur le DLC à zéro à l'aide de l'écran LCD pour afficher la fréquence.
6. Assurez-vous que BALAYAGE sur le FSC est INT.
7. Réglez FREQ OFFSET sur milieu de gamme et SPAN sur maximum sur le FSC et observez le balayage laser.
8. Si le scan est dans le mauvais sens, inversez le DIP4 du FSC ou le DIP11 du DLC.
Il est important de ne pas modifier le bouton SPAN du DLC une fois réglé comme indiqué ci-dessus, car cela affecterait la boucle de rétroaction et pourrait empêcher le verrouillage du FSC. Les commandes du FSC doivent être utilisées pour régler le balayage.

4.2 Réalisation d'un verrouillage initial
Les commandes SPAN et OFFSET du FSC permettent de régler le laser afin qu'il balaie le point de verrouillage souhaité (par exemple, la résonance de la cavité) et de zoomer sur un balayage plus petit autour de la résonance.

Chapitre 4. Application example: Verrouillage du hall Pound-Drever

Les étapes illustrent le processus nécessaire pour obtenir un verrouillage stable. Les valeurs indiquées sont indicatives et devront être ajustées en fonction des applications. Des conseils supplémentaires sur l'optimisation du verrouillage sont fournis au § 4.3.

4.2.1 Verrouillage avec retour rapide
1. Connectez le signal d’erreur à l’entrée A IN sur le panneau arrière.
2. Assurez-vous que le signal d’erreur est de l’ordre de 10 mVpp.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Réglez le MONITEUR 1 sur FAST ERR et observez à l'oscilloscope. Tournez le bouton ERR OFFSET jusqu'à ce que le niveau CC affiché soit nul. Si le bouton ERROR OFFSET n'est pas nécessaire pour régler le niveau CC du signal d'erreur, le commutateur INPUT peut être réglé sur DC ; le bouton ERROR OFFSET sera alors inopérant, évitant ainsi tout réglage accidentel.
5. Réduisez le GAIN RAPIDE à zéro.
6. Réglez FAST sur SCAN+P, réglez SLOW sur SCAN et localisez la résonance à l'aide des commandes de balayage.
7. Augmentez le GAIN RAPIDE jusqu'à ce que le signal d'erreur s'allonge, comme illustré à la figure 4.2. Si ce n'est pas le cas, inversez le commutateur SIGNE RAPIDE et réessayez.
8. Réglez FAST DIFF sur OFF et GAIN LIMIT sur 40. Réduisez FAST INT à 100 kHz.
9. Réglez le mode RAPIDE sur VERROUILLÉ et le contrôleur se verrouillera sur le passage par zéro du signal d'erreur. Il peut être nécessaire d'ajuster légèrement le DÉCALAGE DE FRÉQUENCE pour verrouiller le laser.
10. Optimisez le verrouillage en ajustant les paramètres FAST GAIN et FAST INT tout en observant le signal d'erreur. Il peut être nécessaire de reverrouiller le servo après avoir réglé l'intégrateur.

4.2 Réalisation d'un verrouillage initial

Figure 4.2 : Le balayage du laser avec une rétroaction P uniquement sur la sortie rapide tout en balayant la sortie lente entraîne une extension du signal d'erreur (orange) lorsque le signe et le gain sont corrects (à droite). Dans une application PDH, la transmission de la cavité (bleue) sera également étendue.
11. Certaines applications peuvent bénéficier de l'augmentation de FAST DIFF pour améliorer la réponse de la boucle, mais cela n'est généralement pas nécessaire pour obtenir un verrouillage initial.
4.2.2 Verrouillage avec rétroaction lente
Une fois le verrouillage obtenu avec la rétroaction proportionnelle et intégratrice rapide, la rétroaction lente doit alors être activée pour tenir compte des dérives lentes et de la sensibilité aux perturbations acoustiques basse fréquence.
1. Réglez SLOW GAIN sur milieu de gamme et SLOW INT sur 100 Hz.
2. Réglez le mode FAST sur SCAN+P pour déverrouiller le laser et ajustez SPAN et OFFSET afin de pouvoir voir le passage à zéro.
3. Réglez le MONITEUR 2 sur SLOW ERR et observez-le à l'oscilloscope. Ajustez le potentiomètre situé à côté de ERR OFFSET pour ramener le signal d'erreur lente à zéro. Ce réglage n'affecte que le niveau DC du signal d'erreur lente, et non celui du signal d'erreur rapide.
4. Reverrouillez le laser en réglant le mode FAST sur LOCK et effectuez les petits ajustements nécessaires sur FREQ OFFSET pour verrouiller le laser.

Chapitre 4. Application example: Verrouillage du hall Pound-Drever

5. Réglez le mode SLOW sur LOCK et observez le signal d'erreur lent. Si le servo lent se bloque, le niveau CC de l'erreur lente peut changer. Dans ce cas, notez la nouvelle valeur du signal d'erreur, remettez SLOW sur SCAN et utilisez le potentiomètre de compensation d'erreur pour rapprocher le signal d'erreur lent déverrouillé de la valeur verrouillée, puis essayez de reverrouiller le verrouillage lent.
6. Répétez l'étape précédente de verrouillage lent du laser, en observant le changement CC dans l'erreur lente et en ajustant le potentiomètre de décalage d'erreur jusqu'à ce que l'engagement du verrouillage lent ne produise pas de changement mesurable dans la valeur du signal d'erreur verrouillé lent par rapport au verrouillage rapide.
Le potentiomètre de compensation d'erreur corrige les faibles différences (mV) entre les décalages des signaux d'erreur rapide et lent. Ce réglage garantit que les circuits de compensation d'erreur rapide et lent verrouillent le laser à la même fréquence.
7. Si le servo se déverrouille immédiatement après avoir engagé le verrouillage lent, essayez d'inverser le SIGNE LENT.
8. Si le servo lent se déverrouille toujours immédiatement, réduisez le gain lent et réessayez.
9. Une fois qu'un verrouillage lent stable est obtenu avec le potentiomètre ERR OFFSET correctement réglé, ajustez SLOW GAIN et SLOW INT pour une meilleure stabilité du verrouillage.

4.3 Optimisation
Le rôle du servo est de verrouiller le laser au passage par zéro du signal d'erreur, qui idéalement serait identiquement nul une fois verrouillé. Le bruit dans le signal d'erreur est donc une mesure de la qualité du verrouillage. L'analyse spectrale du signal d'erreur est un outil puissant pour comprendre et optimiser la rétroaction. Des analyseurs de spectre RF peuvent être utilisés, mais ils sont relativement coûteux et ont une plage dynamique limitée. Une bonne carte son (24 bits 192 kHz, par exemple Lynx L22) est nécessaire.

4.3 Optimisation

fournit une analyse du bruit jusqu'à une fréquence de Fourier de 96 kHz avec une plage dynamique de 140 dB.
Idéalement, l'analyseur de spectre devrait être utilisé avec un discriminateur de fréquence indépendant, insensible aux fluctuations de puissance laser [11]. De bons résultats peuvent être obtenus en surveillant le signal d'erreur en boucle, mais une mesure hors boucle est préférable, comme la mesure de la transmission de la cavité dans une application PDH. Pour analyser le signal d'erreur, connectez l'analyseur de spectre à l'une des sorties MONITOR réglées sur FAST ERR.
Le verrouillage à large bande passante implique généralement d'abord d'obtenir un verrouillage stable en utilisant uniquement le servomoteur rapide, puis d'utiliser le servomoteur lent pour améliorer la stabilité à long terme. Le servomoteur lent est nécessaire pour compenser la dérive thermique et les perturbations acoustiques, qui entraîneraient un saut de mode si elles étaient compensées uniquement par le courant. En revanche, les techniques de verrouillage simples, comme la spectroscopie d'absorption saturée, sont généralement obtenues en obtenant d'abord un verrouillage stable avec le servomoteur lent, puis en utilisant le servomoteur rapide pour compenser uniquement les fluctuations à haute fréquence. Il peut être utile de consulter le diagramme de Bode (figure 4.3) pour interpréter le spectre du signal d'erreur.
Lors de l'optimisation du FSC, il est recommandé d'optimiser d'abord le servomoteur rapide par analyse du signal d'erreur (ou transmission à travers la cavité), puis le servomoteur lent afin de réduire la sensibilité aux perturbations externes. Le mode SCAN+P, en particulier, permet d'obtenir un signe de rétroaction et un gain approximativement corrects.
Il est à noter que pour obtenir le verrouillage de fréquence le plus stable possible, il faut optimiser soigneusement de nombreux aspects de l'appareil, et pas seulement les paramètres du FSC. Par exempleample, résiduel ampLa modulation de la largeur d'impulsion (RAM) dans un appareil PDH entraîne une dérive du signal d'erreur, que le servomoteur ne peut compenser. De même, un mauvais rapport signal/bruit (SNR) alimente directement le laser en bruit.
En particulier, le gain élevé des intégrateurs signifie que le verrouillage peut être sensible aux boucles de masse dans la chaîne de traitement du signal, et

Chapitre 4. Application example: Verrouillage du hall Pound-Drever

Il convient de veiller à les éliminer ou à les atténuer. La terre du FSC doit être aussi proche que possible du contrôleur laser et de tout composant électronique impliqué dans la génération du signal d'erreur.
Une procédure d'optimisation du servomoteur rapide consiste à désactiver FAST DIFF et à ajuster les paramètres FAST GAIN, FAST INT et GAIN LIMIT afin de réduire le niveau de bruit au maximum. Optimisez ensuite FAST DIFF et DIFF GAIN afin de réduire les composantes de bruit haute fréquence observées sur un analyseur de spectre. Notez que des modifications de FAST GAIN et FAST INT peuvent être nécessaires pour optimiser le verrouillage après l'introduction du différentiateur.
Dans certaines applications, le signal d'erreur est limité en bande passante et ne contient du bruit non corrélé qu'à hautes fréquences. Dans ce cas, il est souhaitable de limiter l'action du servomoteur à hautes fréquences afin d'éviter que ce bruit ne se répercute dans le signal de commande. Une option de filtrage permet de réduire la réponse rapide du servomoteur au-delà d'une fréquence spécifique. Cette option est mutuellement exclusive du différentiateur et doit être testée si l'activation du différentiateur augmente.
60

Gain (dB)

Coupure haute fréquence Double intégrateur

INT RAPIDE GAIN RAPIDE
DIFFÉRENCE RAPIDE GAIN DIFFÉRENCE (limite)

Intégrateur

GAIN LF RAPIDE (limite)

Intégrateur

Proportionnel

Différenciateur

Filtre

INT LENTE

20101

102

103

104

105

106

107

108

Fréquence de Fourier [Hz]

Figure 4.3 : Diagramme de Bode conceptuel illustrant l'action des contrôleurs rapide (rouge) et lent (bleu). Les fréquences de coupure et les limites de gain sont réglées à l'aide des boutons du panneau avant, comme indiqué.

4.3 Optimisation

le bruit mesuré.
Le servomoteur lent peut ensuite être optimisé afin de minimiser la surréaction aux perturbations externes. Sans la boucle du servomoteur lent, la limite de gain élevée signifie que le servomoteur rapide réagira aux perturbations externes (par exemple, le couplage acoustique) et que la variation de courant qui en résulte peut induire des sauts de mode dans le laser. Il est donc préférable que ces fluctuations (basse fréquence) soient compensées dans le piézo.
Le réglage du SLOW GAIN et du SLOW INT ne produira pas nécessairement une amélioration du spectre du signal d'erreur, mais une fois optimisé, il réduira la sensibilité aux perturbations acoustiques et prolongera la durée de vie de la serrure.
De même, l'activation du double intégrateur (DIP2) peut améliorer la stabilité en garantissant que le gain global du servomoteur lent est supérieur à celui du servomoteur rapide à ces basses fréquences. Cependant, cela peut entraîner une surréaction du servomoteur lent aux perturbations basse fréquence ; le double intégrateur n'est donc recommandé que si des dérives de courant à long terme déstabilisent le verrouillage.

Chapitre 4. Application example: Verrouillage du hall Pound-Drever

A. Spécifications

Paramètre

Spécification

Gain de synchronisation Bande passante (-3 dB) Délai de propagation Bande passante de modulation externe (-3 dB)

> 35 MHz < 40 ns
> 35 MHz

Entrée A IN, B IN SWEEP IN GAIN IN MOD IN LOCK IN

SMA, 1 M, ±2 V SMA, 5 M, 1 à +0 V SMA, 2 M, ±5 V SMA, 1 M, ±2 V Connecteur audio femelle 5 mm, TTL

Les entrées analogiques sont survoltéestage protégé jusqu'à ±10 V. Les entrées TTL prennent < 1 0 V comme bas, > 2 0 V comme haut. Les entrées LOCK IN sont de -0 5 V à 7 V, actives basses, consommant ±1 µA.

Annexe A. Spécifications

Paramètre
Sortie SORTIE LENTE SORTIE RAPIDE MONITEUR 1, 2 TRIG POWER A, B

Spécification
SMA, 50 , 0 à +2 V, BW 5 kHz SMA, 20 , ±50 V, BW > 2 MHz SMA, 5 , BW > 20 MHz SMA, 50M , 20 à +1 V Connecteur femelle M0, ±5 V, 8 mA

All outputs are limited to ±5 V. 50 outputs 50 mA max (125 mW, +21 dBm).

Mécanique et puissance

Entrée CEI

110 à 130 V à 60 Hz ou 220 à 260 V à 50 Hz

Fusible

5x20mm céramique anti-surtension 230 V/0.25 A ou 115 V/0.63 A

Dimensions

L × H × P = 250 × 79 × 292 mm

Poids

2 kg

Consommation d'énergie

< 10 W

Dépannage

B.1 Fréquence laser non balayée
Un DLC MOGLabs avec signal de commande piézo externe nécessite que le signal externe dépasse 1.25 V. Si vous êtes sûr que votre signal de commande externe dépasse 1.25 V, confirmez les points suivants :
· La plage du DLC est entièrement dans le sens des aiguilles d'une montre. · La FRÉQUENCE sur le DLC est nulle (en utilisant l'écran LCD pour régler
Fréquence). · Le DIP9 (balayage externe) du DLC est activé. · Les DIP13 et DIP14 du DLC sont désactivés. · L'interrupteur à bascule du DLC est réglé sur SCAN. · La sortie lente du FSC est connectée au module SWEEP/PZT.
entrée du DLC. · Le balayage sur le FSC est INT. · La plage du FSC est complètement dans le sens horaire. · Connectez le FSC MONITOR 1 à un oscilloscope, réglez le MONI-
Bouton TOR 1 vers RAMP et ajustez FREQ OFFSET jusqu'à ce que le ramp est centré autour de 1.25 V.
Si les vérifications ci-dessus n'ont pas résolu votre problème, déconnectez le FSC du DLC et assurez-vous que le laser effectue un balayage lorsqu'il est contrôlé par le DLC. Contactez MOGLabs pour obtenir de l'aide en cas d'échec.
35

Annexe B. Dépannage

B.2 Lors de l'utilisation d'une entrée de modulation, la sortie rapide flotte à un volume importanttage
Lors de l'utilisation de la fonctionnalité MOD IN du FSC (DIP 4 activé), la sortie rapide flottera généralement vers le volume positiftagRail E, environ 4 V. Assurez-vous que l'entrée MOD est court-circuitée lorsqu'elle n'est pas utilisée.

B.3 Signaux d'erreur positifs importants
Dans certaines applications, le signal d'erreur généré peut être strictement positif (ou négatif) et important. Dans ce cas, le potentiomètre REF et le décalage ERR peuvent ne pas fournir un décalage CC suffisant pour garantir que le point de verrouillage souhaité coïncide avec 0 V. Dans ce cas, les voies A et B peuvent être utilisées avec le commutateur INPUT réglé sur , la voie B sur PD et un volume CC.tage appliqué à CH B pour générer le décalage nécessaire au centrage du point de verrouillage. À titre d'exempleample, si le signal d'erreur est compris entre 0 V et 5 V et que le point de verrouillage était de 2.5 V, connectez alors le signal d'erreur à CH A et appliquez 2.5 V à CH B. Avec le réglage approprié, le signal d'erreur sera alors compris entre -2 V et +5 V.

B.4 Rails de sortie rapides à ±0.625 V
Pour la plupart des ECDL MOGLabs, un voltagUne oscillation de ±0.625 V sur la sortie rapide (correspondant à ±0.625 mA injecté dans la diode laser) est supérieure à celle requise pour le verrouillage sur une cavité optique. Certaines applications requièrent une plage plus large sur la sortie rapide. Cette limite peut être augmentée par un simple changement de résistance. Veuillez contacter MOGLabs pour plus d'informations.

B.5 Le feedback doit changer de signe
Si la polarité de la rétroaction rapide change, c'est généralement parce que le laser est passé en mode multimode (deux modes de cavité externes oscillant simultanément). Ajustez le courant laser pour obtenir un fonctionnement monomode, plutôt que d'inverser la polarité de la rétroaction.

B.6 Le moniteur émet un signal erroné

B.6 Le moniteur émet un signal erroné
Lors des tests en usine, la sortie de chaque bouton MONITOR est vérifiée. Cependant, avec le temps, les vis de fixation qui maintiennent le bouton en position peuvent se desserrer et le bouton peut glisser, ce qui peut entraîner un signal erroné. Pour vérifier :
· Connectez la sortie du MONITOR à un oscilloscope.
· Tournez le bouton SPAN complètement dans le sens des aiguilles d'une montre.
· Tournez le MONITEUR sur RAMP. Vous devriez maintenant observer arampsignal de l'ordre de 1 volt ; si vous ne le faites pas, la position du bouton est incorrecte.
· Même si vous observez arampsignal de retour, la position du bouton peut encore être erronée, tournez le bouton d'une position supplémentaire dans le sens des aiguilles d'une montre.
· Vous devriez maintenant avoir un petit signal proche de 0 V, et peut-être voir un petit ramp sur l'oscilloscope, de l'ordre de quelques dizaines de mV. Ajustez le potentiomètre BIAS et vous devriez voir amplitude de ce ramp changement.
· Si le signal sur l'oscilloscope change lorsque vous ajustez le potentiomètre BIAS, la position de votre bouton MONITOR est correcte ; sinon, la position du bouton MONITOR doit être ajustée.
Pour corriger la position du bouton MONITOR, les signaux de sortie doivent d'abord être identifiés à l'aide d'une procédure similaire à celle ci-dessus, et la position du bouton peut ensuite être tournée en desserrant les deux vis de réglage qui maintiennent le bouton en place, avec une clé Allen de 1.5 mm ou un tournevis à bille.

Le laser B.7 subit des sauts en mode lent
Les sauts en mode lent peuvent être causés par une rétroaction optique provenant d'éléments optiques entre le laser et la cavité, par exempleampcoupleurs de fibre optique, ou de la cavité optique elle-même. Les symptômes incluent une fréquence

Annexe B. Dépannage

Sauts du laser libre sur des échelles de temps lentes, de l'ordre de 30 s, où la fréquence laser saute de 10 à 100 MHz. Assurez-vous que le laser dispose d'une isolation optique suffisante, en installant un autre isolateur si nécessaire, et bloquez les trajets de faisceau inutilisés.

C. Disposition du PCB

C39

C59

R30

C76

C116

C166

R1C8C10
R2

R338D1
C378

R24

R337

R27

C15

R28

R66 R34

R340C379
R33
R10

D4
R11 C60 R35

R342

R37

R343D6
C380
R3 C16 R12

C366 R58 R59 C31 R336

R5D8
C365 R347 R345
R49

R77 R40

R50D3
C368 R344 R346
R75

C29 R15 R38 R47 R48

C62 R36 R46 C28

C11 C26
R339

R31C23
C25

C54 C22 C24 R9

R74C57
C33

C66 C40

U13

U10

U14

U15

R80R70C27

C55R42

C65R32

R29 R65

R57 R78 R69

R71 R72

R79 R84

C67

R73

C68

C56

R76

R333

C42 C69

C367R6
R334C369

C13

R335

C43 C372 R14 R13

C373 C17
U1
R60 R17 R329
U16
R81 R82

C35

C362 R85 R331 C44 R87

C70

U25C124

R180C131

C140R145

U42

R197 R184 C186 C185

MH2

C165 C194 C167 R186 R187 C183 C195 R200

C126 R325 R324
R168C162C184
C157 R148 R147
C163 C168
C158R170

R95 C85 R166 R99 C84
C86

C75 R97 R96 C87

R83C83
U26

U27C92

R100 R101 R102 R106
R104 R105

C88 R98 R86
R341 C95 R107 C94

U38

C90R109
R103U28

C128 C89
C141

R140 R143

R108

U48

R146C127

R185

U50R326

U49

R332

R201

R191
R199C202

R198 R190

C216

U57

C221

C234

C222R210C217

C169 R192 R202

R195C170

R171
U51
R203
R211
U58
C257

R213 C223 R212
R214 C203 C204 C205

C172R194C199

R327 C171 C160 R188 R172 R173

C93 R111 C96 C102 R144 R117

R110 R112

C98 C91
R115 R114

U31

C101

FB1

C148

FB2

C159

C109 C129

C149

C130
U29
C138

U32
C150

C112R113

C100

C105 C99 C103 C152 C110

U33

C104 C111 C153
C133

R118 R124
R119 R122

R123
U34 R130 R120 R121

C161

C134

R169U43

C132

C182R157C197

C189R155C201
C181R156

C173
U56
C198R193

C206

R189

C174

C196

U52

R196 R154 R151 R152 R153

R204 C187 C176 C179

U53

C180 C188 C190

C178

C200

C207

U54
C209

U55C191

C192

C208R205

U62C210

R217C177

C227 C241 C243 C242 R221
R223C263

C232

C231

C225
U59
C226
C259

C237

C238

C240 C239

R206
U60
C261

R207 C260 R215

R218

R216

U61C262

U66R219

U68R222

U67R220

C258 C235 C236

C273

SW1

R225 R224

C266

C265

R228

U69

C269

R231 R229
U70

C270

U71

R234

C272

R226
U72

C71

C36

R16 R18
C14

C114

R131

C115

C58R93

C46

C371
C370
R43C45
R44
U11
R330 R92
R90 R89 R88 R91

R20

R19

R39C34

C72

R61

C73

C19

R45C47

C41 C78

R23

R22

C375
C374 R41 R21
C37
C38

C30

C20

R52 C48 R51
C49

C50

U17

U18

R55 R53 R62 R54

C63

R63 C52 R26
U12R25

P6
C377 C376
R64R56C51
MH1

C53

C79

C74

C18

C113 R174 R175 R176 R177
C120

R128

R126C106
R127 R125
U35 R132 U39
R141 C117 R129 R158

R142

C136 R134 R133 R138 R137

C135

C139 R161 R162 R163

C118

C119R159

C121
U41C137
R160C147
C164

U40C146

C193

R164C123

C122

R139 R165
U44

C107
U45

C142

C144R135C145

R182

R178 R167
R181

RT1

C155R149

C21 C12

U47

U46

U30C108

U21 C77 U23 C82

U24 C64 U22 C81

U19C61
R68 R67 U20 C32

C97R116

C80R94

U36C143

C151

R179
R150C156
R183

R136C154

C175

C252

C220

C228 C229 C230

U63

C248

C247

C211

C212 C213 C214

U64

C251

C250

C215

C219
R208R209C224

C218 C253

U65

C256

C255 C254

C249 C233

C246 C245

C274
C244

C264

C268R230

C276

C271

C267

C275

R238 R237 R236 R235 R240 R239
R328

REF1 R257

C285R246

C286 C284

R242
U73
R247

C281R243

C280
U74

C287

R248

C289 R251 R252

R233 R227 R232
C282 R244 R245
U75
R269

C288 R250 R249

R253 R255

C290

R241

R254
U76
R272

C291

R256
U77

C294 C296

C283

C277

MH5

C292

C293

C279 C278

U37C125

MH3

C295

C307R265
Q1

C309

C303 R267 R268
C305

C301

MH6

R282

C312

R274 R283 R284

C322

C298

C300

R264 C297 R262
U78
R273C311

C299

R263

C302

R261 R258 R259 R260

U79

C306
U80
C315

C313

R266
U81
R278 R275 R276

C304

R277

C316

R271C308

R270
U82
C314

C318

U83
R280R279C321

C310
U84

R285C317

C320

R281

C319

R290 R291

D11

D12

D13

D14

R287 R286

SW2

R297 R296
R289 R288

C334 C328 C364

R299C330

R293 R292

C324

C331

R300

R298C329

C333 C332

U85

C335

C323

C325

D15

R303

D16

C336

R301 R302 C342 C341
C337

U86

C343

C339

C346

R310 R307

R309

R308

MH8

C347 R305 R306

R315

R321

C345

P10

C344 C348

MH9

C349 R318 C350 R319 R317 R316

C352
P11

C351

C354

U87

MH10
C353

U88

C338

C340

R294

C363

MH4 P9
XF1

C358
R295

C326

C327

D17

R304

D18

U89

C355 C356

U91

U90

C361R323

C357

C359
P12

C360

MH7
R313 R314 R320 R311 R312 R322

Annexe C. Disposition du PCB

D. Conversion 115/230 V

D.1 Fusible

Le fusible est un antisurtension en céramique, 0.25 A (230 V) ou 0.63 A (115 V), 5 x 20 mm, par exempleampLe Littlefuse 0215.250MXP ou 0215.630MXP. Le porte-fusible est une cartouche rouge située juste au-dessus de la prise d'alimentation IEC et de l'interrupteur principal, à l'arrière de l'appareil (Fig. D.1).

Figure D.1 : Cartouche fusible, montrant l'emplacement du fusible pour un fonctionnement à 230 V.
D.2 Conversion 120/240 V
Le contrôleur peut être alimenté par un courant alternatif de 50 à 60 Hz, de 110 à 120 V (100 V au Japon) ou de 220 à 240 V. Pour convertir entre 115 V et 230 V, la cartouche de fusible doit être retirée et réinsérée de manière à ce que le volume correcttage apparaît à travers la fenêtre du couvercle et le fusible correct (comme ci-dessus) est installé.
41

Annexe D. Conversion 115/230 V

Figure D.2 : Pour changer le fusible ou le volumetage, ouvrez le couvercle de la cartouche de fusible avec un tournevis inséré dans une petite fente sur le bord gauche du couvercle, juste à gauche du vol rougetage indicateur.

Lors du retrait de la cartouche fusible, insérez un tournevis dans l'évidement à gauche de la cartouche ; n'essayez pas de l'extraire à l'aide d'un tournevis sur les côtés du porte-fusible (voir figures).

FAUX!

CORRECT

Figure D.3 : Pour extraire la cartouche fusible, insérez un tournevis dans un évidement à gauche de la cartouche.
Lors du changement de voltage, le fusible et un clip de pontage doivent être échangés d'un côté à l'autre, de sorte que le clip de pontage soit toujours en bas et le fusible toujours en haut ; voir les figures ci-dessous.

D.2 Conversion 120/240 V

Figure D.4 : Pont 230 V (à gauche) et fusible (à droite). Intervertir le pont et le fusible lors d'un changement de tension.tage, de sorte que le fusible reste en haut une fois inséré.

Figure D.5 : Pont 115 V (à gauche) et fusible (à droite).

Annexe D. Conversion 115/230 V

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MOG Laboratories Pty Ltd 49 University St, Carlton VIC 3053, Australia Tel: +61 3 9939 0677 info@moglabs.com

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