Manuale di istruzioni del controller servo veloce PID 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.

Connessioni e controlli

Controlli del pannello frontale

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

Controlli e connessioni del pannello posteriore

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

Interruttori DIP interni

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

Domande frequenti

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una società santec
Servocontrollore veloce
Versione 1.0.9, Rev 2 hardware

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Introduzione

Il MOGLabs FSC fornisce gli elementi critici di un servocontrollore a bassa latenza e ad alta larghezza di banda, progettato principalmente per la stabilizzazione della frequenza laser e il restringimento della larghezza di linea. L'FSC può essere utilizzato anche per ampcontrollo della luminosità, ad esempioampper creare un “mangia-rumore” che stabilizzi la potenza ottica di un laser, ma in questo manuale presupponiamo l’applicazione più comune della stabilizzazione della frequenza.

1.1 Teoria di base del controllo del feedback
La stabilizzazione della frequenza di feedback dei laser può essere complicata. Incoraggiamo i lettori a riview libri di testo sulla teoria del controllo [1, 2] e letteratura sulla stabilizzazione della frequenza laser [3].
Il concetto di controllo a feedback è illustrato schematicamente nella figura 1.1. La frequenza del laser viene misurata con un discriminatore di frequenza che genera un segnale di errore proporzionale alla differenza tra la frequenza laser istantanea e la frequenza desiderata o di riferimento. I discriminatori più comuni includono cavità ottiche e rilevamento Pound-Drever-Hall (PDH) [4] o Ha¨nsch-Couillaud [5]; bloccaggio dell'offset [6]; o molte varianti della spettroscopia di assorbimento atomico [7].

Segnale di errore

Servo

Segnale di controllo

Laser

Discriminatore di frequenza dV/df
Figura 1.1: Diagramma a blocchi semplificato di un circuito di controllo a feedback.

Capitolo 1. Introduzione

1.1.1 Segnali di errore
La caratteristica comune fondamentale del controllo a feedback è che il segnale di errore utilizzato per il controllo deve invertire il segno quando la frequenza laser si sposta al di sopra o al di sotto del setpoint, come in figura 1.2. Dal segnale di errore, un servocomando o un compensatore a feedback genera un segnale di controllo per un trasduttore nel laser, in modo che la frequenza laser venga indirizzata verso il setpoint desiderato. È fondamentale che questo segnale di controllo cambi segno al variare del segno del segnale di errore, garantendo che la frequenza laser venga sempre indirizzata verso il setpoint, anziché allontanarsene.

Errore

f
0
Frequenza f

f Frequenza f
OFFSET ERRORE

Figura 1.2: Un segnale di errore dispersivo teorico, proporzionale alla differenza tra la frequenza del laser e la frequenza di riferimento. Un offset sul segnale di errore sposta il punto di aggancio (a destra).
Si noti la distinzione tra un segnale di errore e un segnale di controllo. Un segnale di errore è una misura della differenza tra la frequenza laser effettiva e quella desiderata, che in linea di principio è istantanea e priva di rumore. Un segnale di controllo viene generato dal segnale di errore da un servocomando o compensatore di retroazione. Il segnale di controllo aziona un attuatore come un trasduttore piezoelettrico, la corrente di iniezione di un diodo laser o un modulatore acusto-ottico o elettro-ottico, in modo che la frequenza laser ritorni al valore di riferimento. Gli attuatori hanno funzioni di risposta complesse, con ritardi di fase finiti, guadagno dipendente dalla frequenza e risonanze. Un compensatore dovrebbe ottimizzare la risposta di controllo per ridurre l'errore al minimo possibile.

1.1 Teoria di base del controllo del feedback

1.1.2 Risposta in frequenza di un servo a feedback
Il funzionamento dei servocomandi a retroazione è solitamente descritto in termini di risposta in frequenza di Fourier, ovvero il guadagno della retroazione in funzione della frequenza di un disturbo. Ad esempioampAd esempio, un disturbo comune è la frequenza di rete, = 50 Hz o 60 Hz. Tale disturbo altererà la frequenza laser di una certa quantità, a una velocità di 50 o 60 Hz. L'effetto del disturbo sul laser potrebbe essere piccolo (ad esempio = 0 ± 1 kHz, dove 0 è la frequenza laser indisturbata) o grande ( = 0 ± 1 MHz). Indipendentemente dall'entità di questo disturbo, la frequenza di Fourier del disturbo è a 50 o 60 Hz. Per sopprimere tale disturbo, un servocomando a retroazione dovrebbe avere un guadagno elevato a 50 e 60 Hz per poter compensare.
Il guadagno di un servocontrollore ha in genere un limite di bassa frequenza, solitamente definito dal limite di larghezza di banda del guadagno dell'opamps utilizzato nel servocontrollore. Il guadagno deve inoltre essere inferiore al guadagno unitario (0 dB) a frequenze più elevate per evitare di indurre oscillazioni nell'uscita di controllo, come il familiare stridio acuto dei sistemi audio (comunemente chiamato "feedback audio"). Queste oscillazioni si verificano per frequenze superiori al reciproco del ritardo di propagazione minimo del sistema combinato laser, discriminatore di frequenza, servo e attuatore. In genere, questo limite è dominato dal tempo di risposta dell'attuatore. Per i piezoelettrici utilizzati nei laser a diodo a cavità esterna, il limite è in genere di pochi kHz, mentre per la risposta di modulazione di corrente del diodo laser, il limite è compreso tra 100 e 300 kHz.
La Figura 1.3 è un grafico concettuale del guadagno in funzione della frequenza di Fourier per l'FSC. Per minimizzare l'errore di frequenza laser, l'area sotto il grafico del guadagno dovrebbe essere massimizzata. I servocontrollori PID (proporzionali, integrali e differenziali) sono un approccio comune, in cui il segnale di controllo è la somma di tre componenti derivate dal segnale di errore in ingresso. Il feedback proporzionale (P) tenta di compensare tempestivamente i disturbi, mentre il feedback dell'integratore (I) fornisce un guadagno elevato per offset e derive lente, e il feedback differenziale (D) aggiunge guadagno extra per variazioni improvvise.

Capitolo 1. Introduzione

Guadagno (dB)

Taglio ad alta frequenza Doppio integratore

INT VELOCE GUADAGNO VELOCE
FAST DIFF DIFF GAIN (limite)

integratore

GUADAGNO LF VELOCE (limite)

integratore

Proporzionale

Differenziatore

Filtro

INTENSITÀ LENTA

20101

102

103

104

105

106

107

108

Frequenza di Fourier [Hz]

Figura 1.3: Diagramma di Bode concettuale che mostra l'azione dei controllori veloci (rosso) e lenti (blu). Il controllore lento è un integratore singolo o doppio con frequenza di taglio regolabile. Il controllore veloce è un PID con frequenze di taglio regolabili e limiti di guadagno alle basse e alte frequenze. Opzionalmente, il derivatore può essere disabilitato e sostituito con un filtro passa-basso.

Connessioni e controlli

2.1 Controlli del pannello frontale
Il pannello frontale dell'FSC offre numerose possibilità di configurazione che consentono di regolare e ottimizzare il comportamento del servo.
Si prega di notare che gli switch e le opzioni possono variare a seconda delle revisioni hardware. Consultare il manuale del dispositivo specifico, come indicato dal numero di serie.

Controllore servo veloce

CA CC

INGRESSO
PD 0
RIF.
CHB

+

FIRMA VELOCE
+

SEGNO LENTO

INTERNO

75 100 250

50k 100k 200k

10 milioni 5 milioni 2.5 milioni

500

20 mila

500k DI SCONTO

750 10 mila

1 M 200 k

750 mila

SPENTO

1k DI SCONTO

2 M 100 k

500 mila

ESTERNO

50 mila

250 mila

25 mila

100 mila

INTERVALLO
VALUTARE

INTENSITÀ LENTA

INTENSITÀ VELOCE

DIFFERENZIALE/FILTRO VELOCE
12

SBIECO
OFFSET DI FREQUENZA

GUADAGNO LENTO

GUADAGNO RAPIDO

GUADAGNO DIFFERENZIALE

30 20 10
0

ANNIDATO

SCANSIONE

BLOCCO MASSIMO

LENTO

LIMITE DI GUADAGNO

SCANSIONE SCANSIONE+P
SERRATURA
VELOCE

ERR OFFSET

STATO

ERRORE LENTO

RAMP

ERRORE VELOCE

SBIECO

CHB

VELOCE

CIÒ

LENTO

MON1

ERRORE LENTO

RAMP

ERRORE VELOCE

SBIECO

CHB

VELOCE

CIÒ

LENTO

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.
SEGNO VELOCE Segno del feedback veloce. SEGNO LENTO Segno del feedback lento.
5

Connessioni e controlli

2.1.2 Eamp controllare
La r internaamp Il generatore fornisce una funzione di scansione per la scansione della frequenza laser, in genere tramite un attuatore piezoelettrico, una corrente di iniezione di diodo o entrambi. Un'uscita di trigger sincronizzata con il ramp è presente sul pannello posteriore (TRIG, 1M).
INT/EXT Interno o esterno ramp per la scansione di frequenza.
RATE Trimpot per regolare la velocità di sweep interna.
BIAS Quando DIP3 è abilitato, l'uscita lenta, scalata da questo trimmer, viene aggiunta all'uscita veloce. Questo feed-forward di polarizzazione è in genere necessario quando si regola l'attuatore piezoelettrico di un ECDL per evitare il salto di modalità. Tuttavia, questa funzionalità è già fornita da alcuni controller laser (come il DLC MOGLabs) e dovrebbe essere utilizzata solo quando non fornita altrove.
SPAN Regola la ramp altezza e quindi l'estensione della scansione di frequenza.
FREQ OFFSET Regola l'offset CC sull'uscita lenta, fornendo in modo efficace uno spostamento statico della frequenza laser.

2.1.3 Variabili di ciclo
Le variabili del ciclo consentono il guadagno del proporzionale, dell'integratore e del differenziatoretagda regolare. Per l'integratore e il differenziatore stages, il guadagno viene presentato in termini di frequenza di guadagno unitaria, talvolta definita frequenza d'angolo.
SLOW INT Frequenza angolare dell'integratore servo lento; può essere disabilitata o regolata da 25 Hz a 1 kHz.
GUADAGNO LENTO Guadagno lento del servo a giro singolo; da -20 dB a +20 dB.
FAST INT Frequenza angolare dell'integratore servo veloce; disattivata o regolabile da 10 kHz a 2 MHz.

2.1 Controlli del pannello frontale

GUADAGNO RAPIDO Guadagno proporzionale del servo rapido a dieci giri; da -10 dB a +50 dB.
FAST DIFF/FILTER Controlla la risposta del servo ad alta frequenza. Se impostato su "OFF", la risposta del servo rimane proporzionale. Se ruotato in senso orario, il differenziatore viene abilitato con la frequenza di taglio associata. Si noti che diminuendo la frequenza di taglio si aumenta l'azione del differenziatore. Se impostato su un valore sottolineato, il differenziatore viene disabilitato e al suo posto viene applicato un filtro passa-basso all'uscita del servo. Questo provoca un roll-off della risposta al di sopra della frequenza specificata.
DIFF GAIN Limite del guadagno ad alta frequenza sul servo veloce; ogni incremento modifica il guadagno massimo di 6 dB. Non ha effetto a meno che il differenziatore non sia abilitato, ovvero a meno che FAST DIFF non sia impostato su un valore non sottolineato.

2.1.4 Controlli di blocco
LIMITE DI GUADAGNO Limite di guadagno a bassa frequenza sul servo veloce, in dB. MAX rappresenta il guadagno massimo disponibile.
OFFSET DI ERRORE Offset DC applicato ai segnali di errore quando la modalità INPUT è impostata su . Utile per la regolazione precisa del punto di bloccaggio o per compensare la deriva nel segnale di errore. Il trimmer adiacente serve per regolare l'offset di errore del servo lento rispetto a quello veloce e può essere regolato per garantire che i servi veloce e lento si muovano esattamente alla stessa frequenza.
SLOW Attiva il servo lento modificando SCAN in LOCK. Quando impostato su NESTED, il controllo lento voltage viene immesso nel segnale di errore veloce per un guadagno molto elevato a basse frequenze in assenza di un attuatore collegato all'uscita lenta.
FAST Controlla il servo veloce. Se impostato su SCAN+P, il feedback proporzionale viene immesso nell'uscita veloce mentre il laser è in scansione, consentendo la calibrazione del feedback. Impostando LOCK si interrompe la scansione e si attiva il controllo PID completo.

Capitolo 2. Collegamenti e controlli

STATUS Indicatore multicolore che visualizza lo stato della serratura.
Verde Acceso, blocco disabilitato. Arancione Blocco attivato ma segnale di errore fuori portata, indicando il blocco
non è riuscito. Il Blue Lock è attivato e il segnale di errore è nei limiti.

2.1.5 Monitoraggio del segnale
Due encoder rotativi selezionano quale dei segnali specificati viene indirizzato alle uscite MONITOR 1 e MONITOR 2 sul pannello posteriore. L'uscita TRIG è un'uscita compatibile TTL (1M) che commuta da basso ad alto al centro dello sweep. La tabella seguente definisce i segnali.

CHA CHB FAST ERR SLOW ERR RAMP BIAS VELOCE LENTO

Ingresso canale A Ingresso canale B Segnale di errore utilizzato dal servo veloce Segnale di errore utilizzato dal servo lento Ramp come applicato a SLOW OUT Ramp come applicato a FAST OUT quando DIP3 è abilitato Segnale di controllo FAST OUT Segnale di controllo SLOW OUT

2.2 Comandi e connessioni del pannello posteriore

MONITOR 2 BLOCCATO

MONITORAGGIO 1

SPAZZARE

GUADAGNO IN

BIDONE

UN IN

Seriale:

TRIG

USCITA VELOCE USCITA LENTA

MOD.IN

POTENZA B

POTENZA A

Tutti i connettori sono SMA, salvo diversa indicazione. Tutti gli ingressi sono sovralimentati.tage protetto a ±15 V.
Alimentazione IEC in L'unità deve essere preimpostata sul volume appropriatotage per il tuo paese. Consultare l'appendice D per le istruzioni su come modificare la tensione di alimentazionetage se necessario.
A IN, B IN Ingressi del segnale di errore per i canali A e B, in genere fotodetector. Alta impedenza, intervallo nominale ±2 V. Il canale B non è utilizzato a meno che l'interruttore CHB sul pannello frontale non sia impostato su PD.
ALIMENTAZIONE A, B Alimentazione CC a basso rumore per fotodetector; ±12 V, 125 mA, fornita tramite un connettore M8 (codice TE Connectivity 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, maschio a 3 vie). Compatibile con PDA MOGLabs e fotodetector Thorlabs. Da utilizzare con cavi M8 standard, ad esempioample Digikey 277-4264-ND. Assicurarsi che i fotodetector siano spenti quando vengono collegati agli alimentatori per evitare che le loro uscite si blocchino.
GUADAGNO IN VoltagGuadagno proporzionale controllato elettronicamente del servo veloce, ±1 V, corrispondente all'intera gamma della manopola sul pannello frontale. Sostituisce il controllo FAST GAIN sul pannello frontale quando DIP1 è abilitato.
SPAZZATA IN Esterno ramp l'ingresso consente la scansione di frequenza arbitraria, da 0 a 2.5 V. Il segnale deve attraversare 1.25 V, che definisce il centro della scansione e il punto di blocco approssimativo.

Capitolo 2. Collegamenti e controlli

3 4

1+12 V

3 -12 V

4 0V

Figura 2.1: Pinout del connettore M8 per POWER A, B.

MOD IN Ingresso di modulazione ad alta larghezza di banda, aggiunto direttamente all'uscita veloce, ±1 V se DIP4 è attivo. Si noti che se DIP4 è attivo, MOD IN deve essere collegato a un'alimentazione o correttamente terminato.
USCITA LENTA Uscita del segnale di controllo lento, da 0 V a 2.5 V. Normalmente collegato a un driver piezoelettrico o ad un altro attuatore lento.
FAST OUT Uscita del segnale di controllo veloce, ±2 5 V. Normalmente collegata alla corrente di iniezione del diodo, al modulatore acustico o elettro-ottico o ad altri attuatori veloci.
MONITOR 1, 2 Uscita del segnale selezionata per il monitoraggio.
TRIG Uscita TTL da bassa ad alta al centro della scansione, 1M.
Controllo scansione/blocco TTL LOCK IN; connettore stereo da 3.5 mm, sinistro/destro (pin 2, 3) per blocco lento/veloce; basso (massa) è attivo (abilita blocco). L'interruttore di scansione/blocco sul pannello frontale deve essere su SCAN affinché LOCK IN abbia effetto. Il cavo Digikey CP-2207-ND è dotato di un connettore da 3.5 mm con terminali; rosso per blocco lento, nero sottile per blocco veloce e nero spesso per massa.

321

1 Terra 2 Blocco rapido 3 Blocco lento

Figura 2.2: Pinout del connettore stereo da 3.5 mm per il controllo di scansione/blocco TTL.

2.3 Interruttori DIP interni

2.3 Interruttori DIP interni
Sono presenti diversi DIP switch interni che forniscono opzioni aggiuntive, tutti impostati su OFF per impostazione predefinita.
ATTENZIONE Esiste il rischio di esposizione ad alto volumetagall'interno dell'FSC, in particolare attorno all'alimentatore.

SPENTO

1 Guadagno veloce

Manopola del pannello frontale

2 Feedback lento Singolo integratore

3 pregiudizi

Ramp rallentare solo

4 MOD esterno disabilitato

5 Compensazione

Normale

6 Spazzare

Positivo

7 Accoppiamento rapido DC

8 Offset rapido

ON Segnale esterno Doppio integratore Ramp per accelerare e rallentare Abilitato Fisso a metà Negativo AC -1 V

DIP 1 Se ON, il guadagno rapido del servo è determinato dal potenziale applicato al connettore GAIN IN del pannello posteriore anziché alla manopola FAST GAIN del pannello anteriore.
DIP 2 Il servo lento è un integratore singolo (OFF) o doppio (ON). Dovrebbe essere OFF se si utilizza la modalità di funzionamento servo lento e veloce "annidata".
DIP 3 Se ON, genera una corrente di polarizzazione proporzionale all'uscita del servo lento per evitare salti di modalità. Abilitare solo se non già fornito dal controller laser. Dovrebbe essere OFF quando l'FSC viene utilizzato in combinazione con un DLC MOGLabs.
DIP 4 Se ON, abilita la modulazione esterna tramite il connettore MOD IN sul pannello posteriore. La modulazione viene aggiunta direttamente a FAST OUT. Quando abilitato ma non in uso, l'ingresso MOD IN deve essere terminato per evitare comportamenti indesiderati.
DIP 5 Se ON, disabilita la manopola di offset del pannello frontale e fissa l'offset al punto medio. Utile in modalità sweep esterno, per evitare di

Capitolo 2. Collegamenti e controlli

modificando la frequenza laser agendo sulla manopola di offset.
DIP 6 Inverte la direzione dello sweep.
DIP 7 Fast AC. Normalmente dovrebbe essere ON, in modo che il segnale di errore veloce sia accoppiato in AC ai servocomandi di feedback, con una costante di tempo di 40 ms (25 Hz).
DIP 8 Se ON, viene aggiunto un offset di -1 V all'uscita veloce. DIP8 deve essere OFF quando l'FSC viene utilizzato con i laser MOGLabs.

Feedback control loops

L'FSC ha due canali di feedback paralleli che possono pilotare due attuatori contemporaneamente: un attuatore "lento", tipicamente utilizzato per modificare la frequenza laser di una quantità elevata su scale temporali lente, e un secondo attuatore "veloce". L'FSC fornisce un controllo preciso di ciascuno.tage del servo loop, così come uno sweep (ramp) generatore e comodo monitoraggio del segnale.

INGRESSO

ERR OFFSET

UN IN

B
BIDONE

0v +
VREF
0v

CHB

SEGNO VELOCE Blocco AC [7] DC veloce
SEGNO LENTO

MODULAZIONE E SPAZZATURA

VALUTARE

Ramp

NEL TESTO

Pendenza [6] SPAZZARE IN

INTERVALLO
0v

+
OFFSET

MOD.IN

0v
Modello [4]

0v
Offset fisso [5]

TRIG

0v 0v
+
SBIECO
0v 0v
pregiudizio [3]

BLOCCA (VELOCE) BLOCCA (LENTO) VELOCE = BLOCCA LENTO = BLOCCA
Spazzata LF
USCITA VELOCE +

SERVO VELOCE
GUADAGNARE IN UN GUADAGNO RAPIDO

Guadagno esterno [1] P

0v
ANNIDATO
VELOCE = BLOCCA BLOCCA (VELOCE)

D
0v

SERVO LENTO
Errore lento Guadagno GUADAGNO LENTO

INTENSITÀ LENTA
#1

Spazzata LF

INTENSITÀ LENTA

0v
Doppio integratore [2]

RALLENTA

Figura 3.1: Schema del MOGLabs FSC. Le etichette verdi si riferiscono ai controlli sul pannello frontale e agli ingressi sul pannello posteriore, quelle marroni ai DIP switch interni e quelle viola alle uscite sul pannello posteriore.

Capitolo 3. Cicli di controllo a feedback

3.1 Inputtage
L'ingresso stage dell'FSC (figura 3.2) genera un segnale di errore come VERR = VA – VB – VOFFSET. VA viene prelevato dal connettore SMA “A IN” e VB viene impostato utilizzando il selettore CHB, che sceglie tra il connettore SMA “B IN”, VB = 0 o VB = VREF come impostato dal trimmer adiacente.
Il controller agisce per servo-assistire il segnale di errore verso zero, che definisce il punto di blocco. Alcune applicazioni possono trarre vantaggio da piccole regolazioni del livello di corrente continua per regolare questo punto di blocco, che può essere ottenuto con la manopola a 10 giri ERR OFFSET per uno spostamento fino a ±0 1 V, a condizione che il selettore INPUT sia impostato in modalità "offset" (). Offset maggiori possono essere ottenuti con il trimmer REF.

INGRESSO

+ aria condizionata

ERR OFFSET

UN IN

B
BIDONE

SEGNO VELOCE Fast AC [7] FE FAST ERR

Blocco CC

Errore veloce

0v +
VREF
0v

CHB

SEGNO LENTO

Errore lento SE SLOW ERR

Figura 3.2: Schema degli input FSCtage mostra i controlli di accoppiamento, offset e polarità. Gli esagoni sono segnali monitorati disponibili tramite i selettori di monitoraggio sul pannello frontale.

3.2 Ciclo servo lento
La Figura 3.3 mostra la configurazione a feedback lento dell'FSC. Un guadagno variabile stage è controllato con la manopola SLOW GAIN sul pannello frontale. L'azione del controller è un integratore singolo o doppio

3.2 Ciclo servo lento

a seconda che DIP2 sia abilitato o meno. La costante di tempo dell'integratore lento è controllata dalla manopola SLOW INT sul pannello frontale, etichettata in base alla frequenza di taglio associata.

SERVO LENTO
Errore lento Guadagno GUADAGNO LENTO

Integratori
INTENSITÀ LENTA
#1

Spazzata LF

INTENSITÀ LENTA

0v
Doppio integratore [2]

RALLENTA
LF LENTO

Figura 3.3: Schema del servo a feedback lento I/I2. Gli esagoni sono segnali monitorati disponibili tramite i selettori del pannello frontale.

Con un singolo integratore, il guadagno aumenta con frequenze di Fourier più basse, con una pendenza di 20 dB per decade. L'aggiunta di un secondo integratore aumenta la pendenza a 40 dB per decade, riducendo l'offset a lungo termine tra la frequenza effettiva e quella di riferimento. Un aumento eccessivo del guadagno provoca oscillazioni poiché il controllore "reagisce in modo eccessivo" alle variazioni del segnale di errore. Per questo motivo, a volte è utile limitare il guadagno del loop di controllo a basse frequenze, dove una risposta ampia può causare un salto di modalità laser.
Il servo lento offre un'ampia escursione per compensare derive a lungo termine e perturbazioni acustiche, mentre l'attuatore veloce ha un'escursione ridotta ma un'ampia larghezza di banda per compensare disturbi rapidi. L'utilizzo di un doppio integratore garantisce che il servo lento abbia la risposta dominante a bassa frequenza.
Per le applicazioni che non includono un attuatore lento separato, il segnale di controllo lento (errore integrato singolo o doppio) può essere aggiunto a quello veloce impostando l'interruttore SLOW su "NESTED". In questa modalità, si consiglia di disabilitare il doppio integratore nel canale lento con DIP2 per evitare la tripla integrazione.

Capitolo 3. Cicli di controllo a feedback

3.2.1 Misurazione della risposta lenta del servo
Il loop lento del servo è progettato per compensare la deriva lenta. Per osservare la risposta del loop lento:
1. Impostare MONITOR 1 su SLOW ERR e collegare l'uscita a un oscilloscopio.
2. Impostare MONITOR 2 su SLOW e collegare l'uscita a un oscilloscopio.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Regolare la manopola ERR OFFSET finché il livello CC visualizzato sul monitor SLOW ERR non è prossimo allo zero.
5. Regolare la manopola FREQ OFFSET finché il livello CC visualizzato sul monitor SLOW non è prossimo allo zero.
6. Impostare i volt per divisione sull'oscilloscopio a 10 mV per divisione per entrambi i canali.
7. Attivare il circuito del servo lento impostando la modalità SLOW su LOCK.
8. Regolare lentamente la manopola ERR OFFSET in modo che il livello CC visualizzato sul monitor SLOW ERR si sposti sopra e sotto lo zero di 10 mV.
9. Quando il segnale di errore integrato cambia segno, si osserverà una lenta variazione dell'uscita di 250 mV.
Si noti che il tempo di risposta del servo lento per raggiungere il suo limite dipende da una serie di fattori, tra cui il guadagno lento, la costante di tempo dell'integratore lento, l'integrazione singola o doppia e la dimensione del segnale di errore.

3.2 Ciclo servo lento

3.2.2 Volume di uscita lentotage swing (solo per i numeri di serie FSC A04… e inferiori)
L'uscita del circuito di controllo del servo lento è configurata per un intervallo da 0 a 2.5 V per la compatibilità con un DLC MOGLabs. L'ingresso di controllo piezoelettrico DLC SWEEP ha un voltagIl guadagno è di 48, in modo che l'ingresso massimo di 2.5 V si traduca in 120 V sul piezoelettrico. Quando il loop del servo lento è attivato, l'uscita lenta oscillerà solo di ±25 mV rispetto al suo valore precedente all'attivazione. Questa limitazione è intenzionale, per evitare salti di modalità laser. Quando l'uscita lenta dell'FSC viene utilizzata con un DLC MOGLabs, un'oscillazione di 50 mV nell'uscita del canale lento dell'FSC corrisponde a un'oscillazione di 2.4 V nel volume del piezoelettrico.tage che corrisponde a una variazione della frequenza laser di circa 0.5-1 GHz, paragonabile all'intervallo spettrale libero di una tipica cavità di riferimento.
Per l'utilizzo con diversi controller laser, è possibile ottenere una variazione maggiore nell'uscita lenta bloccata dell'FSC tramite una semplice modifica del resistore. Il guadagno sull'uscita del circuito di retroazione lenta è definito da R82/R87, il rapporto tra i resistori R82 (500 kΩ) e R87 (100 kΩ). Per aumentare l'uscita lenta, aumentare R82/R87, il che è più semplice da ottenere riducendo R87 tramite l'inserimento in parallelo di un altro resistore (package SMD, dimensione 0402). Ad esempioample, aggiungendo un resistore da 30 k in parallelo al resistore da 100 k esistente si otterrebbe una resistenza effettiva di 23 k, fornendo un aumento dell'oscillazione di uscita lenta da ±25 mV a ±125 mV. La Figura 3.4 mostra il layout del PCB FSC attorno all'opamp U16.
R329
Minore 16

C36

Italiano:

C71

C35

La R81 e la R82

Figura 3.4: Il layout del PCB FSC attorno all'operazione finale a guadagno lentoamp U16, con resistori di regolazione del guadagno R82 e R87 (cerchiati); dimensione 0402.

Capitolo 3. Cicli di controllo a feedback

3.3 Ciclo servo veloce
Il servo a feedback rapido (figura 3.5) è un anello PID che fornisce un controllo preciso su ciascuna delle componenti di feedback proporzionale (P), integrale (I) e differenziale (D), nonché sul guadagno complessivo dell'intero sistema. L'uscita rapida dell'FSC può oscillare da -2.5 V a 2.5 V, il che, se configurato con un laser a diodo a cavità esterna MOGLabs, può fornire un'oscillazione di corrente di ±2.5 mA.

SERVO VELOCE

GUADAGNO IN

Guadagno esterno [1]

GUADAGNO RAPIDO

Errore veloce
Controllo lento
0v

+ ANNIDATO

VELOCE = BLOCCA BLOCCA (VELOCE)

PI
D
0v

Controllo veloce

Figura 3.5: Schema del controller PID servo a feedback rapido.

La Figura 3.6 mostra un grafico concettuale dell'azione di entrambi i circuiti servo, veloce e lento. Alle basse frequenze, il circuito integratore veloce (I) prevale. Per evitare che il circuito servo veloce reagisca eccessivamente alle perturbazioni esterne a bassa frequenza (acustiche), viene applicato un limite di guadagno a bassa frequenza controllato dalla manopola GAIN LIMIT.
Alle frequenze medie (10 kHz-1 MHz) prevale il feedback proporzionale (P). La frequenza limite del guadagno unitario alla quale il feedback proporzionale supera la risposta integrata è controllata dalla manopola FAST INT. Il guadagno complessivo del loop P è impostato dal trimmer FAST GAIN o tramite un segnale di controllo esterno attraverso il connettore GAIN IN sul pannello posteriore.

3.3 Ciclo servo veloce

Guadagno (dB)

Taglio ad alta frequenza Doppio integratore

INT VELOCE GUADAGNO VELOCE
FAST DIFF DIFF GAIN (limite)

integratore

GUADAGNO LF VELOCE (limite)

integratore

Proporzionale

Differenziatore

Filtro

INTENSITÀ LENTA

20101

102

103

104

105

106

107

108

Frequenza di Fourier [Hz]

Figura 3.6: Diagramma di Bode concettuale che mostra l'azione dei controllori veloce (rosso) e lento (blu). Il controllore lento è un integratore singolo o doppio con frequenza di taglio regolabile. Il controllore veloce è un compensatore PID con frequenze di taglio regolabili e limiti di guadagno alle basse e alte frequenze. Opzionalmente, il derivatore può essere disabilitato e sostituito con un filtro passa-basso.

Le alte frequenze (1 MHz) richiedono in genere che il loop del differenziatore prevalga per un migliore aggancio. Il differenziatore fornisce una compensazione di fase per il tempo di risposta finito del sistema e ha un guadagno che aumenta di 20 dB per decade. La frequenza di taglio del loop differenziale può essere regolata tramite la manopola FAST DIFF/FILTER per controllare la frequenza alla quale il feedback differenziale prevale. Se FAST DIFF/FILTER è impostato su OFF, il loop differenziale è disabilitato e il feedback rimane proporzionale alle frequenze più alte. Per prevenire oscillazioni e limitare l'influenza del rumore ad alta frequenza quando il loop di feedback differenziale è attivato, è presente un limite di guadagno regolabile, DIFF GAIN, che limita il differenziatore alle alte frequenze.
Spesso non è necessario un differenziatore e il compensatore può invece trarre vantaggio dal filtraggio passa-basso della risposta rapida del servo per ridurre ulteriormente l'influenza del rumore. Ruotare il FAST DIFF/FILTER

Capitolo 3. Cicli di controllo a feedback

manopola in senso antiorario dalla posizione OFF per impostare la frequenza di roll-off per la modalità di filtraggio.
Il servo veloce ha tre modalità di funzionamento: SCAN, SCAN+P e LOCK. Quando impostato su SCAN, il feedback è disabilitato e all'uscita veloce viene applicata solo la polarizzazione. Quando impostato su SCAN+P, viene applicato un feedback proporzionale, che consente di determinare il segno e il guadagno del servo veloce mentre la frequenza laser è ancora in scansione, semplificando la procedura di aggancio e sintonizzazione (vedere §4.2). In modalità LOCK, la scansione viene interrotta e viene attivato il feedback PID completo.

3.3.1 Misurazione della risposta rapida del servo
Le due sezioni seguenti descrivono la misurazione del feedback proporzionale e differenziale alle variazioni del segnale di errore. Utilizzare un generatore di funzioni per simulare un segnale di errore e un oscilloscopio per misurarne la risposta.
1. Collegare MONITOR 1, 2 a un oscilloscopio e impostare i selettori su FAST ERR e FAST.
2. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
3. Collegare il generatore di funzioni all'ingresso CHA.
4. Configurare il generatore di funzioni per produrre un'onda sinusoidale da 100 Hz e 20 mV picco-picco.
5. Regolare la manopola ERR OFFSET in modo che il segnale di errore sinusoidale, come visualizzato sul monitor FAST ERR, sia centrato sullo zero.

3.3.2 Misurazione della risposta proporzionale · Ridurre lo span a zero ruotando completamente la manopola SPAN in senso antiorario.
· Impostare FAST su SCAN+P per attivare il ciclo di feedback proporzionale.

3.3 Ciclo servo veloce

· Sull'oscilloscopio, l'uscita FAST dell'FSC dovrebbe mostrare un'onda sinusoidale da 100 Hz.
· Regolare la manopola FAST GAIN per variare il guadagno proporzionale del servo veloce finché l'uscita non è la stessa amplitude come input.
· Per misurare la risposta in frequenza del feedback proporzionale, regolare la frequenza del generatore di funzioni e monitorare la amplivello della risposta di uscita FAST. Per esempioample, aumentare la frequenza fino a quando il ampla litude viene dimezzata per trovare la frequenza di guadagno di -3 dB.

3.3.3 Misurazione della risposta differenziale
1. Impostare FAST INT su OFF per disattivare il ciclo dell'integratore.
2. Impostare FAST GAIN su uno seguendo i passaggi descritti nella sezione precedente.
3. Impostare DIFF GAIN su 0 dB.
4. Impostare FAST DIFF/FILTER su 100 kHz.
5. Spostare la frequenza del generatore di funzioni da 100 kHz a 3 MHz e monitorare l'uscita FAST.
6. Mentre si analizza la frequenza del segnale di errore, si dovrebbe osservare un guadagno unitario a tutte le frequenze.
7. Impostare DIFF GAIN su 24 dB.
8. Ora, mentre si analizza la frequenza del segnale di errore, si dovrebbe notare un aumento della pendenza di 20 dB per decade dopo 100 kHz che inizierà a diminuire a 1 MHz, mostrando l'opamp limitazioni di larghezza di banda.
Il guadagno dell'uscita veloce può essere modificato modificando i valori dei resistori, ma il circuito è più complicato rispetto a quello per la retroazione lenta (§3.2.2). Contattare MOGLabs per ulteriori informazioni, se necessario.

Capitolo 3. Cicli di controllo a feedback

3.4 Modulazione e scansione
La scansione laser è controllata da un generatore di sweep interno o da un segnale di sweep esterno. Lo sweep interno è a dente di sega con periodo variabile, impostato tramite un commutatore di portata interno a quattro posizioni (App. C) e un trimmer RATE a giro singolo sul pannello frontale.
I loop servo veloci e lenti possono essere attivati individualmente tramite segnali TTL inviati agli interruttori frontali associati sul pannello posteriore. Impostando uno dei loop su LOCK si interrompe la scansione e si attiva la stabilizzazione.

MODULAZIONE E SPAZZATURA

NEL TESTO

TRIG

VALUTARE

Ramp

Pendenza [6] SPAZZARE IN

INTERVALLO
0v

+
OFFSET
0v

0v
Offset fisso [5]

Controllo rapido MOD IN

Modello [4]

0v 0v
+
SBIECO
0v 0v
pregiudizio [3]

BLOCCA (VELOCEMENTE)

BLOCCA (LENTO)

VELOCE = BLOCCA LENTO = BLOCCA

RAMP RA

Spazzata LF

PARZIALISMO BS

USCITA VELOCE +

HF VELOCE

Figura 3.7: Sweep, modulazione esterna e polarizzazione della corrente di feedforward.

La ramp può anche essere aggiunto all'uscita veloce abilitando DIP3 e regolando il trimmer BIAS, ma molti controller laser (come il MOGLabs DLC) genereranno la corrente di polarizzazione necessaria in base al segnale servo lento, nel qual caso non è necessario generarlo anche all'interno dell'FSC.

4. Applicazione esample: Chiusura della sala Pound-Drever

Un'applicazione tipica dell'FSC è l'aggancio in frequenza di un laser a una cavità ottica utilizzando la tecnica PDH (fig. 4.1). La cavità funge da discriminatore di frequenza e l'FSC mantiene il laser in risonanza con la cavità controllando il piezoelettrico e la corrente laser rispettivamente attraverso le sue uscite SLOW e FAST, riducendo la larghezza di linea del laser. È disponibile una nota applicativa separata (AN002) che fornisce consigli pratici dettagliati sull'implementazione di un apparato PDH.

Oscilloscopio

TRIG

CH1

CH2

Laser
Mod attuale Piezo SMA

Fine del mese

PBS

Controller DLC

PZT MOD

Cavità LPF

MONITOR 2 MONITOR 1 BLOCCA

SPAZZARE IN GUADAGNO IN

BIDONE

UN IN

Seriale:

TRIG

USCITA VELOCE USCITA LENTA MOD IN

POTENZA B POTENZA A

Figura 4.1: Schema semplificato per il bloccaggio della cavità PDH utilizzando l'FSC. Un modulatore elettro-ottico (EOM) genera bande laterali che interagiscono con la cavità, generando riflessioni che vengono misurate sul fotodiodo (PD). La demodulazione del segnale del fotodiodo produce un segnale di errore PDH.

Esistono diversi altri metodi per generare segnali di errore, che non saranno trattati in questa sede. Il resto di questo capitolo descrive come ottenere un lock una volta generato un segnale di errore.

Capitolo 4. Applicazione example: Chiusura della sala Pound-Drever

4.1 Configurazione del laser e del controller
L'FSC è compatibile con una varietà di laser e controller, a condizione che siano correttamente configurati per la modalità operativa desiderata. Quando si pilota un laser ECDL (come i laser MOGLabs CEL o LDL), i requisiti per il laser e il controller sono i seguenti:
· Modulazione ad alta larghezza di banda direttamente nella testina laser o nel modulatore di fase intra-cavità.
· Alto volumetage controllo piezoelettrico da un segnale di controllo esterno.
· Generazione di corrente di polarizzazione (feed-forward) per laser che richiedono una polarizzazione di 1 mA su tutto il loro intervallo di scansione. L'FSC è in grado di generare internamente una corrente di polarizzazione, ma l'intervallo potrebbe essere limitato dall'elettronica della testina o dalla saturazione del modulatore di fase, quindi potrebbe essere necessario utilizzare la polarizzazione fornita dal controller laser.
I controller laser e le testine MOGLabs possono essere facilmente configurati per ottenere il comportamento richiesto, come spiegato di seguito.

4.1.1 Configurazione della testiera
I laser MOGLabs includono una scheda di controllo interna che interfaccia i componenti con il controller. Per il funzionamento con l'FSC è necessaria una scheda di controllo che includa una modulazione di corrente rapida tramite un connettore SMA. La scheda di controllo deve essere collegata direttamente all'uscita FAST OUT dell'FSC.
La testina B1240 è fortemente consigliata per la massima larghezza di banda di modulazione, sebbene B1040 e B1047 siano valide alternative per i laser incompatibili con B1240. La testina è dotata di diversi jumper che devono essere configurati per l'ingresso accoppiato in corrente continua e bufferizzato (BUF), ove applicabile.

4.2 Ottenere un blocco iniziale

4.1.2 Configurazione DLC
Sebbene l'FSC possa essere configurato per la scansione interna o esterna, è notevolmente più semplice utilizzare la modalità di scansione interna e impostare il DLC come dispositivo slave come segue:
1. Collega SLOW OUT a SWEEP / PZT MOD sul DLC.
2. Abilitare DIP9 (sweep esterno) sul DLC. Assicurarsi che DIP13 e DIP14 siano disattivati.
3. Disabilitare DIP3 (generazione di polarizzazione) dell'FSC. Il DLC genera automaticamente la polarizzazione feed-forward di corrente dall'ingresso sweep, quindi non è necessario generare una polarizzazione all'interno dell'FSC.
4. Impostare SPAN sul DLC al massimo (completamente in senso orario).
5. Impostare la FREQUENZA sul DLC su zero utilizzando il display LCD per visualizzare la frequenza.
6. Assicurarsi che SWEEP sull'FSC sia INT.
7. Impostare FREQ OFFSET su un valore medio e SPAN su massimo sull'FSC e osservare la scansione laser.
8. Se la scansione è nella direzione sbagliata, invertire DIP4 dell'FSC o DIP11 del DLC.
È importante che la manopola SPAN del DLC non venga regolata una volta impostata come sopra, poiché ciò influenzerebbe il ciclo di feedback e potrebbe impedire il bloccaggio dell'FSC. I controlli dell'FSC devono essere utilizzati per regolare lo sweep.

4.2 Ottenere un blocco iniziale
I controlli SPAN e OFFSET dell'FSC possono essere utilizzati per regolare il laser in modo che esegua una scansione più piccola attorno al punto di blocco desiderato (ad esempio risonanza della cavità) e per ingrandire una scansione più piccola attorno alla risonanza.

Capitolo 4. Applicazione example: Chiusura della sala Pound-Drever

I passaggi sono illustrativi del processo necessario per ottenere un blocco stabile. I valori elencati sono indicativi e dovranno essere adattati per applicazioni specifiche. Ulteriori consigli sull'ottimizzazione del blocco sono forniti nel §4.3.

4.2.1 Bloccaggio con feedback rapido
1. Collegare il segnale di errore all'ingresso A IN sul pannello posteriore.
2. Assicurarsi che il segnale di errore sia dell'ordine di 10 mVpp.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Impostare MONITOR 1 su FAST ERR e osservare su un oscilloscopio. Regolare la manopola ERR OFFSET fino a quando il livello DC visualizzato non è zero. Se non è necessario utilizzare la manopola ERROR OFFSET per regolare il livello DC del segnale di errore, è possibile impostare l'interruttore INPUT su DC e la manopola ERROR OFFSET non avrà alcun effetto, evitando regolazioni accidentali.
5. Ridurre il FAST GAIN a zero.
6. Impostare FAST su SCAN+P, impostare SLOW su SCAN e individuare la risonanza utilizzando i controlli di scansione.
7. Aumentare FAST GAIN finché non si nota che il segnale di errore si "allunga" come mostrato nella figura 4.2. Se ciò non si osserva, invertire l'interruttore FAST SIGN e riprovare.
8. Impostare FAST DIFF su OFF e GAIN LIMIT su 40. Ridurre FAST INT a 100 kHz.
9. Impostare la modalità FAST su LOCK e il controller si bloccherà al passaggio per lo zero del segnale di errore. Potrebbe essere necessario apportare piccole regolazioni al FREQ OFFSET per bloccare il laser.
10. Ottimizzare il bloccaggio regolando FAST GAIN e FAST INT osservando il segnale di errore. Potrebbe essere necessario ribloccare il servo dopo aver regolato l'integratore.

4.2 Ottenere un blocco iniziale

Figura 4.2: La scansione del laser con feedback P-only sull'uscita veloce durante la scansione dell'uscita lenta causa l'estensione del segnale di errore (arancione) quando il segno e il guadagno sono corretti (a destra). In un'applicazione PDH, anche la trasmissione della cavità (blu) si estenderà.
11. Alcune applicazioni potrebbero trarre vantaggio dall'aumento di FAST DIFF per migliorare la risposta del ciclo, ma in genere questo non è necessario per ottenere un blocco iniziale.
4.2.2 Bloccaggio con feedback lento
Una volta ottenuto il bloccaggio con il feedback proporzionale e integratore veloce, è necessario attivare il feedback lento per tenere conto delle derive lente e della sensibilità alle perturbazioni acustiche a bassa frequenza.
1. Impostare SLOW GAIN su un valore medio e SLOW INT su 100 Hz.
2. Impostare la modalità FAST su SCAN+P per sbloccare il laser e regolare SPAN e OFFSET in modo da poter vedere il passaggio per lo zero.
3. Impostare MONITOR 2 su SLOW ERR e osservare su un oscilloscopio. Regolare il trimmer accanto a ERR OFFSET per portare il segnale di errore lento a zero. La regolazione di questo trimmer influirà solo sul livello di corrente continua del segnale di errore lento, non su quello veloce.
4. Ribloccare il laser impostando la modalità FAST su LOCK ed effettuare le piccole regolazioni necessarie su FREQ OFFSET per bloccare il laser.

Capitolo 4. Applicazione example: Chiusura della sala Pound-Drever

5. Impostare la modalità SLOW su LOCK e osservare il segnale di errore lento. Se il servo lento si blocca, il livello di corrente continua dell'errore lento potrebbe cambiare. In tal caso, annotare il nuovo valore del segnale di errore, riportare SLOW su SCAN e utilizzare il trimmer di offset dell'errore per portare il segnale di errore lento sbloccato più vicino al valore bloccato e provare a ribloccare il blocco lento.
6. Ripetere il passaggio precedente di bloccaggio lento del laser, osservando la variazione di corrente continua nell'errore lento e regolando il trimmer di offset dell'errore finché l'attivazione del bloccaggio lento non produce una variazione misurabile nel valore del segnale di errore del bloccaggio lento rispetto al bloccaggio rapido.
Il trimmer di compensazione dell'errore regola piccole differenze (mV) negli offset del segnale di errore veloce e lento. La regolazione del trimmer garantisce che entrambi i circuiti di compensazione dell'errore veloce e lento blocchino il laser alla stessa frequenza.
7. Se il servo si sblocca immediatamente dopo aver inserito il blocco lento, provare a invertire il SEGNO LENTO.
8. Se il servo lento si sblocca ancora immediatamente, ridurre il guadagno lento e riprovare.
9. Una volta ottenuto un bloccaggio lento stabile con il trimmer ERR OFFSET impostato correttamente, regolare SLOW GAIN e SLOW INT per migliorare la stabilità del bloccaggio.

4.3 Ottimizzazione
Lo scopo del servo è agganciare il laser al punto di zero del segnale di errore, che idealmente dovrebbe essere identico a zero quando agganciato. Il rumore nel segnale di errore è quindi una misura della qualità dell'aggancio. L'analisi spettrale del segnale di errore è un potente strumento per comprendere e ottimizzare il feedback. È possibile utilizzare analizzatori di spettro RF, ma sono relativamente costosi e hanno una gamma dinamica limitata. Una buona scheda audio (24 bit 192 kHz, ad esempio Lynx L22)

4.3 Ottimizzazione

fornisce analisi del rumore fino a una frequenza di Fourier di 96 kHz con una gamma dinamica di 140 dB.
Idealmente, l'analizzatore di spettro dovrebbe essere utilizzato con un discriminatore di frequenza indipendente, insensibile alle fluttuazioni di potenza del laser [11]. Buoni risultati possono essere ottenuti monitorando il segnale di errore in-loop, ma è preferibile una misurazione out-of-loop, come la misurazione della trasmissione della cavità in un'applicazione PDH. Per analizzare il segnale di errore, collegare l'analizzatore di spettro a una delle uscite MONITOR impostate su FAST ERR.
Il bloccaggio ad alta larghezza di banda in genere prevede prima di tutto il raggiungimento di un bloccaggio stabile utilizzando solo il servo veloce, e poi l'utilizzo del servo lento per migliorare la stabilità del bloccaggio a lungo termine. Il servo lento è necessario per compensare la deriva termica e le perturbazioni acustiche, che comporterebbero un salto di modo se compensate solo con la corrente. Al contrario, tecniche di bloccaggio semplici come la spettroscopia di assorbimento saturo vengono in genere ottenute prima ottenendo un bloccaggio stabile con il servo lento, e poi utilizzando il servo veloce per compensare solo le fluttuazioni ad alta frequenza. Può essere utile consultare il diagramma di Bode (figura 4.3) durante l'interpretazione dello spettro del segnale di errore.
Quando si ottimizza l'FSC, si consiglia di ottimizzare prima il servo veloce analizzando il segnale di errore (o la trasmissione attraverso la cavità), e poi il servo lento per ridurre la sensibilità alle perturbazioni esterne. In particolare, la modalità SCAN+P offre un modo pratico per ottenere un segno di feedback e un guadagno approssimativamente corretti.
Si noti che il raggiungimento del blocco di frequenza più stabile richiede un'attenta ottimizzazione di molti aspetti dell'apparato, non solo dei parametri dell'FSC. Ad esempioample, residuo ampLa modulazione di frequenza (RAM) in un apparato PDH provoca una deriva nel segnale di errore, che il servo non è in grado di compensare. Allo stesso modo, un rapporto segnale/rumore (SNR) basso trasmetterà rumore direttamente al laser.
In particolare, l'elevato guadagno degli integratori significa che il blocco può essere sensibile ai loop di massa nella catena di elaborazione del segnale e

Capitolo 4. Applicazione example: Chiusura della sala Pound-Drever

È necessario prestare attenzione a eliminarli o attenuarli. La messa a terra dell'FSC deve essere il più vicino possibile sia al controller laser sia a qualsiasi componente elettronico coinvolto nella generazione del segnale di errore.
Una procedura per ottimizzare il servo veloce consiste nell'impostare FAST DIFF su OFF e regolare FAST GAIN, FAST INT e GAIN LIMIT per ridurre il più possibile il livello di rumore. Quindi, ottimizzare FAST DIFF e DIFF GAIN per ridurre le componenti di rumore ad alta frequenza, come osservato su un analizzatore di spettro. Si noti che potrebbero essere necessarie modifiche a FAST GAIN e FAST INT per ottimizzare l'aggancio una volta introdotto il differenziatore.
In alcune applicazioni, il segnale di errore è limitato dalla larghezza di banda e contiene solo rumore non correlato ad alte frequenze. In tali scenari è auspicabile limitare l'azione del servo alle alte frequenze per evitare che questo rumore si ricolleghi al segnale di controllo. È disponibile un'opzione di filtro per ridurre la rapida risposta del servo al di sopra di una frequenza specifica. Questa opzione è mutuamente esclusiva rispetto al differenziatore e dovrebbe essere provata se si osserva un aumento della risposta del differenziatore.
60

Guadagno (dB)

Taglio ad alta frequenza Doppio integratore

INT VELOCE GUADAGNO VELOCE
FAST DIFF DIFF GAIN (limite)

integratore

GUADAGNO LF VELOCE (limite)

integratore

Proporzionale

Differenziatore

Filtro

INTENSITÀ LENTA

20101

102

103

104

105

106

107

108

Frequenza di Fourier [Hz]

Figura 4.3: Diagramma di Bode concettuale che mostra l'azione dei controller fast (rosso) e slow (blu). Le frequenze di taglio e i limiti di guadagno vengono regolati con le manopole sul pannello frontale, come indicato.

4.3 Ottimizzazione

il rumore misurato.
Il servo lento può quindi essere ottimizzato per ridurre al minimo la reazione eccessiva alle perturbazioni esterne. Senza il loop del servo lento, l'elevato limite di guadagno implica che il servo veloce risponderà alle perturbazioni esterne (ad esempio, accoppiamento acustico) e la conseguente variazione di corrente può indurre salti di modo nel laser. È quindi preferibile che queste fluttuazioni (a bassa frequenza) siano compensate nel piezoelettrico.
La regolazione di SLOW GAIN e SLOW INT non produrrà necessariamente un miglioramento nello spettro del segnale di errore, ma una volta ottimizzata ridurrà la sensibilità alle perturbazioni acustiche e prolungherà la durata del blocco.
Allo stesso modo, l'attivazione del doppio integratore (DIP2) può migliorare la stabilità garantendo che il guadagno complessivo del sistema servo lento sia maggiore di quello del servo veloce a queste frequenze più basse. Tuttavia, ciò potrebbe causare una reazione eccessiva del servo lento alle perturbazioni a bassa frequenza e il doppio integratore è consigliato solo se le derive di corrente a lungo termine destabilizzano il blocco.

Capitolo 4. Applicazione example: Chiusura della sala Pound-Drever

A. Specifiche

Parametro

Specificazione

Guadagno di temporizzazione Larghezza di banda (-3 dB) Ritardo di propagazione Larghezza di banda di modulazione esterna (-3 dB)

> 35 MHz < 40 ns
> 35 MHz

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

SMA, 1 M, ±2 5 V SMA, 1 M, da 0 a +2 5 V SMA, 1 M, ±2 5 V SMA, 1 M, ±2 5 V Connettore audio femmina da 3.5 mm, TTL

Gli ingressi analogici sono sovralimentatitage protetto fino a ±10 V. Gli ingressi TTL accettano < 1 0 V come minimo, > 2 0 V come massimo. Gli ingressi LOCK IN sono da -0 5 V a 7 V, attivi bassi, assorbendo ±1 µA.

Appendice A. Specifiche

Parametro
Uscita SLOW OUT FAST OUT MONITOR 1, 2 TRIG POWER A, B

Specificazione
SMA, 50, da 0 a +2 V, BW 5 kHz SMA, 20, ±50 V, BW > 2 MHz SMA, 5, BW > 20 MHz SMA, 50M, da 20 a +1 V Connettore femmina M0, ±5 V, 8 mA

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

Meccanica e potenza

Ingresso CEI

Da 110 a 130 V a 60 Hz o da 220 a 260 V a 50 Hz

Fusibile

Ceramica anti-sovratensione 5x20mm 230 V/0.25 A o 115 V/0.63 A

Dimensioni

L×A×P = 250 × 79 × 292 mm

Peso

2 kg

Consumo energetico

< 10W

Risoluzione dei problemi

B.1 La frequenza laser non esegue la scansione
Un DLC MOGLabs con segnale di controllo piezoelettrico esterno richiede che il segnale esterno attraversi 1.25 V. Se sei sicuro che il segnale di controllo esterno attraversi 1.25 V, conferma quanto segue:
· L'intervallo DLC è completamente in senso orario. · La FREQUENZA sul DLC è zero (utilizzando il display LCD per impostare
Frequenza). · DIP9 (sweep esterno) del DLC è acceso. · DIP13 e DIP14 del DLC sono spenti. · L'interruttore di blocco a levetta sul DLC è impostato su SCAN. · SLOW OUT dell'FSC è collegato a SWEEP / PZT MOD
ingresso del DLC. · SWEEP sull'FSC è INT. · L'intervallo dell'FSC è completamente in senso orario. · Collegare l'FSC MONITOR 1 a un oscilloscopio, impostare il MONI-
Manopola TOR 1 su RAMP e regolare FREQ OFFSET fino a quando ramp è centrato su circa 1.25 V.
Se i controlli precedenti non hanno risolto il problema, scollegare l'FSC dal DLC e assicurarsi che la scansione laser venga eseguita correttamente quando controllata dal DLC. In caso di esito negativo, contattare MOGLabs per assistenza.
35

Appendice B. Risoluzione dei problemi

B.2 Quando si utilizza l'ingresso di modulazione, l'uscita veloce fluttua su un volume elevatotage
Quando si utilizza la funzionalità MOD IN dell'FSC (DIP 4 abilitato), l'uscita veloce in genere fluttuerà sul volume positivotage rail, circa 4 V. Assicurarsi che MOD IN sia in cortocircuito quando non in uso.

B.3 Segnali di errore positivi di grandi dimensioni
In alcune applicazioni, il segnale di errore generato dall'applicazione potrebbe essere strettamente positivo (o negativo) e di grandi dimensioni. In questo caso, il trimmer REF e l'OFFSET ERR potrebbero non fornire uno spostamento CC sufficiente a garantire che il punto di blocco desiderato coincida con 0 V. In questo caso, sia CH A che CH B possono essere utilizzati con il commutatore INPUT impostato su , CH B impostato su PD e con una tensione CCtage applicato a CH B per generare l'offset necessario per centrare il punto di blocco. Come esempioampAd esempio, se il segnale di errore è compreso tra 0 V e 5 V e il punto di blocco era 2.5 V, collegare il segnale di errore al canale A e applicare 2.5 V al canale B. Con l'impostazione appropriata, il segnale di errore sarà compreso tra -2 V e +5 V.

B.4 Rail di uscita veloci a ±0.625 V
Per la maggior parte degli ECDL MOGLabs, un volumetagL'oscillazione di ±0.625 V sull'uscita rapida (corrispondente a ±0.625 mA iniettati nel diodo laser) è superiore a quella richiesta per l'aggancio a una cavità ottica. In alcune applicazioni è richiesto un intervallo più ampio sull'uscita rapida. Questo limite può essere aumentato semplicemente sostituendo un resistore. Contattare MOGLabs per ulteriori informazioni, se necessario.

B.5 Il feedback deve cambiare segno
Se la polarità del feedback rapido cambia, è in genere perché il laser è passato a uno stato multimodale (due modalità della cavità esterna che oscillano simultaneamente). Regolare la corrente laser per ottenere un funzionamento monomodale, anziché invertire la polarità del feedback.

B.6 Il monitor emette un segnale errato

B.6 Il monitor emette un segnale errato
Durante i test di fabbrica, l'uscita di ciascuna manopola MONITOR viene verificata. Tuttavia, con il tempo, le viti di fissaggio che tengono la manopola in posizione possono allentarsi e la manopola potrebbe scivolare, causando un segnale errato. Per verificare:
· Collegare l'uscita del MONITOR a un oscilloscopio.
· Ruotare completamente la manopola SPAN in senso orario.
· Ruotare il MONITOR su RAMPOra dovresti osservare arampsegnale di segnale dell'ordine di 1 volt; in caso contrario, la posizione della manopola non è corretta.
· Anche se osservi arampsegnale, la posizione della manopola potrebbe essere ancora errata, ruotare la manopola di un'altra posizione in senso orario.
· Ora dovresti avere un piccolo segnale vicino a 0 V e forse puoi vedere una piccola ramp sull'oscilloscopio nell'ordine delle decine di mV. Regola il trimmer BIAS e dovresti vedere il amplitude di questo ramp modifica.
· Se il segnale sull'oscilloscopio cambia mentre si regola il trimmer BIAS, la posizione della manopola MONITOR è corretta; in caso contrario, è necessario regolarla.
Per correggere la posizione della manopola MONITOR, è necessario innanzitutto identificare i segnali di uscita utilizzando una procedura simile a quella sopra descritta, quindi è possibile ruotare la posizione della manopola allentando le due viti di fissaggio che tengono la manopola in posizione, con una chiave a brugola da 1.5 mm o un cacciavite a sfera.

B.7 Il laser subisce salti in modalità lenta
I salti in modalità lenta possono essere causati dal feedback ottico degli elementi ottici tra il laser e la cavità, ad esempioampaccoppiatori di fibre ottiche, o dalla cavità ottica stessa. I sintomi includono frequenza

Appendice B. Risoluzione dei problemi

salti del laser a corsa libera su scale temporali lente, dell'ordine di 30 s, in cui la frequenza del laser salta da 10 a 100 MHz. Assicurarsi che il laser abbia un isolamento ottico sufficiente, installando un altro isolatore se necessario, e bloccare tutti i percorsi del raggio non utilizzati.

C. Layout del PCB

C39

C59

R30

C76

C116

C166

R1 DO8 DO10
R2

R338D1
C378

R24

R337

R27

C15

R28

La R66 e la R34

R340 DO379
R33
R10

D4
R11 C60 R35

R342

R37

R343D6
C380
R3 C16 R12

Italiano:

R5D8
DO365 R347 R345
R49

La R77 e la R40

R50D3
DO368 R344 R346
R75

C29 R15 R38 R47 R48

C62 R36 R46 C28

C11 C26
R339

R31 DO23
C25

Italiano: C54 C22 C24 R9

R74 DO57
C33

C66 C40

Minore 13

Minore 10

Minore 14

Minore 15

R80 R70 DO27

C55R42

C65R32

La R29 e la R65

R57 R78 R69

La R71 e la R72

La R79 e la R84

C67

R73

C68

C56

R76

R333

C42 C69

C367R6
R334 DO369

C13

R335

C43 C372 R14 R13

C373 C17
U1
R60 R17 R329
Minore 16
La R81 e la R82

C35

Italiano:

C70

U25 Do124

R180 DO131

C140R145

Minore 42

R197 R184 C186 C185

MH2

C165 C194 C167 R186 R187 C183 C195 R200

DO126 R325 R324
R168 DO162 DO184
DO157 R148 R147
C163 C168
C158R170

Modello R95 C85 R166 R99 C84
C86

C75 R97 R96 C87

R83 DO83
Minore 26

U27 Do92

R100 R101 R102 R106
La R104 e la R105

DO88 R98 R86
La R341 è la versione 95.

Minore 38

C90R109
R103U28

C128 C89
C141

La R140 e la R143

R108

Minore 48

R146 DO127

R185

U50R326

Minore 49

R332

R201

R191
R199 DO202

La R198 e la R190

C216

Minore 57

C221

C234

C222 R210 C217

DO169 R192 R202

R195 DO170

R171
Minore 51
R203
R211
Minore 58
C257

R213 C223 R212
R214 C203 C204 C205

C172 R194 C199

R327 C171 C160 R188 R172 R173

C93 R111 C96 C102 R144 R117

La R110 e la R112

C98 C91
La R115 e la R114

Minore 31

C101

FB1

C148

FB2

C159

C109 C129

C149

C130
Minore 29
C138

Minore 32
C150

C112R113

C100

Italiano:

Minore 33

La104 La111 La153
C133

La R118 e la R124
La R119 e la R122

R123
U34 R130 R120 R121

C161

C134

R169U43

C132

C182 R157 C197

C189 R155 C201
C181R156

C173
Minore 56
C198R193

C206

R189

C174

C196

Minore 52

Numero di modello: R196R154R151R152R153

R204 C187 C176 C179

Minore 53

La180 La188 La190

C178

C200

C207

Minore 54
C209

U55 Do191

C192

C208R205

U62 Do210

R217 DO177

C227 C241 C243 C242 R221
R223 DO263

C232

C231

C225
Minore 59
C226
C259

C237

C238

C240 C239

R206
Minore 60
C261

R207 C260 R215

R218

R216

U61 Do262

U66R219

U68R222

U67R220

La258 La235 La236

C273

SW1

La R225 e la R224

C266

C265

R228

Minore 69

C269

La R231 e la R229
Minore 70

C270

Minore 71

R234

C272

R226
Minore 72

C71

C36

La R16 e la R18
C14

C114

R131

C115

C58R93

C46

C371
C370
R43 DO45
R44
Minore 11
La R330 e la R92
R90 R89 R88 R91

R20

R19

R39 DO34

C72

R61

C73

C19

R45 DO47

C41 C78

R23

R22

C375
DO374 R41 R21
C37
C38

C30

C20

R52 C48 R51
C49

C50

Minore 17

Minore 18

R55 R53 R62 R54

C63

R63 C52 R26
U12R25

P6
C377 C376
R64 R56 DO51
MH1

C53

C79

C74

C18

C113 R174 R175 R176 R177
C120

R128

R126 DO106
La R127 e la R125
U35 R132 U39
R141 C117 R129 R158

R142

C136 R134 R133 R138 R137

C135

C139 R161 R162 R163

C118

C119R159

C121
U41 Do137
R160 DO147
C164

U40 Do146

C193

R164 DO123

C122

La R139 e la R165
Minore 44

C107
Minore 45

C142

C144 R135 C145

R182

La R178 e la R167
R181

RT1

C155R149

C21 C12

Minore 47

Minore 46

U30 Do108

U21 C77 U23 C82

U24 C64 U22 C81

U19 Do61
R68 R67 U20 C32

C97R116

C80R94

U36 Do143

C151

R179
R150 DO156
R183

R136 DO154

C175

C252

C220

La228 La229 La230

Minore 63

C248

C247

C211

La212 La213 La214

Minore 64

C251

C250

C215

C219
R208 R209 DO224

C218 C253

Minore 65

C256

C255 C254

C249 C233

C246 C245

C274
C244

C264

C268R230

C276

C271

C267

C275

R238 R237 R236 R235 R240 R239
R328

RIF.1 R257

C285R246

C286 C284

R242
Minore 73
R247

C281R243

C280
Minore 74

C287

R248

DO289 R251 R252

R233 R227 R232
DO282 R244 R245
Minore 75
R269

DO288 R250 R249

La R253 e la R255

C290

R241

R254
Minore 76
R272

C291

R256
Minore 77

C294 C296

C283

C277

MH5

C292

C293

C279 C278

U37 Do125

MH3

C295

C307R265
Q1

C309

DO303 R267 R268
C305

C301

MH6

R282

C312

R274 R283 R284

C322

C298

C300

R264 C297 R262
Minore 78
R273 DO311

C299

R263

C302

R261 R258 R259 R260

Minore 79

C306
Minore 80
C315

C313

R266
Minore 81
R278 R275 R276

C304

R277

C316

R271 DO308

R270
Minore 82
C314

C318

Minore 83
R280 R279 DO321

C310
Minore 84

R285 DO317

C320

R281

C319

La R290 e la R291

D11

D12

D13

D14

La R287 e la R286

SW2

La R297 e la R296
La R289 e la R288

La334 La328 La364

R299 DO330

La R293 e la R292

C324

C331

R300

R298 DO329

C333 C332

Minore 85

C335

C323

C325

D15

R303

D16

C336

R301 R302 C342 C341
C337

Minore 86

C343

C339

C346

La R310 e la R307

R309

R308

MH8

DO347 R305 R306

R315

R321

C345

P10

C344 C348

MH9

C349 R318 C350 R319 R317 R316

C352
P11

C351

C354

Minore 87

MH10
C353

Minore 88

C338

C340

R294

C363

MH4 P9
XF1

C358
R295

C326

C327

D17

R304

D18

Minore 89

C355 C356

Minore 91

Minore 90

C361R323

C357

C359
P12

C360

MH7
R313 R314 R320 R311 R312 R322

Appendice C. Layout del PCB

D. Conversione 115/230 V

D.1 Fusibile

Il fusibile è un antisovratensione ceramico, 0.25 A (230 V) o 0.63 A (115 V), 5x20 mm, ad esempioampil Littlefuse 0215.250MXP o 0215.630MXP. Il portafusibile è una cartuccia rossa appena sopra la presa di alimentazione IEC e l'interruttore principale sul retro dell'unità (Fig. D.1).

Figura D.1: Cartuccia del fusibile, che mostra il posizionamento del fusibile per il funzionamento a 230 V.
D.2 Conversione 120/240 V
Il controller può essere alimentato da CA da 50 a 60 Hz, da 110 a 120 V (100 V in Giappone) o da 220 a 240 V. Per convertire tra 115 V e 230 V, la cartuccia del fusibile deve essere rimossa e reinserita in modo che la tensione correttatage si vede attraverso la finestra di copertura e il fusibile corretto (come sopra) è installato.
41

Appendice D. Conversione 115/230 V

Figura D.2: Per cambiare il fusibile o il voltage, aprire il coperchio della cartuccia del fusibile con un cacciavite inserito in una piccola fessura sul bordo sinistro del coperchio, appena a sinistra del volume rossotage indicatore.

Per rimuovere la cartuccia del fusibile, inserire un cacciavite nell'incavo a sinistra della cartuccia; non tentare di estrarla utilizzando un cacciavite ai lati del portafusibile (vedere figure).

SBAGLIATO!

CORRETTO

Figura D.3: Per estrarre la cartuccia del fusibile, inserire un cacciavite in una rientranza sul lato sinistro della cartuccia.
Quando si cambia il volumetage, il fusibile e una clip di collegamento devono essere scambiati da un lato all'altro, in modo che la clip di collegamento sia sempre in basso e il fusibile sempre in alto; vedere le figure sottostanti.

D.2 Conversione 120/240 V

Figura D.4: Ponte da 230 V (sinistra) e fusibile (destra). Scambiare il ponte e il fusibile quando si cambia tensionetage, in modo che il fusibile rimanga in alto quando inserito.

Figura D.5: Ponte da 115 V (sinistra) e fusibile (destra).

Appendice D. Conversione 115/230 V

Bibliografia
[1] Alex Abramovici e Jake Chapsky. Sistemi di controllo a feedback: una guida rapida per scienziati e ingegneri. Springer Science & Business Media, 2012. 1
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[7] GC Bjorklund. Spettroscopia a modulazione di frequenza: un nuovo metodo per misurare assorbimenti e dispersioni deboli. Opt. Lett., 5:15, 1980. 1
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[9] SC Bell, DM Heywood, JD White e RE Scholten. Blocco dell'offset di frequenza laser mediante trasparenza indotta elettromagneticamente. Appl. Phys. Lett., 90:171120, 2007. 1
[10] W. Demtr¨oder. Spettroscopia laser, concetti di base e strumentazione. Springer, Berlino, 2a edizione, 1996. 1
[11] LD Turner, KP Weber, CJ Hawthorn e RE Scholten. Caratterizzazione del rumore di frequenza dei laser a diodo a linea stretta. Opt. Communic., 201:391, 2002. 29
46

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

Documenti / Risorse

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Controllore servo veloce PID, PID, Controllore servo veloce, Controllore servo

Riferimenti

Manuale d'uso

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Specifiche

Istruzioni per l'uso del prodotto

Connessioni e controlli

Domande frequenti

Introduzione

Connessioni e controlli

Feedback control loops

Risoluzione dei problemi

Documenti / Risorse

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