實驗名稱：線性相幹反饋控制系統的實驗研究

　　測試設備：高壓放大器、示波器、低通濾波器、控制器、光電探頭、壓電陶瓷等。

　　實驗過程：

　　图1：相位锁定方案。PZT1-PZT2：压电陶瓷；HVA1-HVA2：高壓放大器；S1：10Hz扫描信号；S2：2kHz调制信号；Mixer：混频器；splitter：分流器；VF：电压跟随器；LPF：低通滤波器；PID：比例积分微分控制电路；OSC：示波器。D1-D2：光电探头；OPA：四波混频过程；C：控制器；Pr：探针光；Conj：共轭光。

　　圖2：光場加載調制信號後的波形圖。1-Errorsingal爲誤差信號；2-Pr和3-Conj分別爲加載2kHz信號調制後的探針光和共轭光波形。

　　实验操作过程如图1所示。首先我们产生一个2kHz的调制信号S2，其通过高壓放大器HVA2放大，用于驱动压电陶瓷PZT2。另外我们产生一个10Hz的扫描信号S1，该信号通过高壓放大器HVA1放大，用于驱动压电陶瓷PZT1。通过示波器OSC观察，可以得到光场调制后的输出波形，如图2所示，2-Pr为探针光束的电信号和3-Conj为共轭光场的电信号，它们的电信号类似于洛仑兹波形，每一个尖峰之间的距离由扫描信号的频率决定，波形上带有锯齿状波形为调制信号，通过改变调制信号的电压，可以调控锯齿状的大小。需要注意的是，在锁相过程中需要寻找合适的扫描信号和调制信号参数，保证光场能够调制上信号。我们将D2探测到的直流信号接入分流器splitter的1端口，那么该直流信号就被复制成两份，分别从分束器的2，3端口输出，其中3端口的信号通过一个电压跟随器VF之后直接输入至示波器进行观察。这里电压跟随器的作用是防止后端接入电子器件对前端信号串扰，从而保证了信号的保真度。2端口的直流信号则经过电压跟随器VF后与扫描信号混合，利用低通滤波器过滤掉混频信号中的高频成分后，可以得到误差信号1-Eerrorsignal。可以看到，误差信号斜率的最大处对应于输出信号尖峰的位置。我们将误差信号输入到比例积分微分控制器PID中，通过修改参数可以直接锁定相位点。由于系统的光路比较长，为了保证良好的锁定效果，需要加挡风板，减缓空气的流动。

　　實驗結果：

　　圖3：保持放大器泵浦功率不變，研究不同反饋系數k條件下，系統輸出光場的強度差壓縮。縱坐標爲噪聲功率，橫坐標爲掃描時間。泵浦功率爲85mW，注入探針光功率爲30?W。圖(a)，(b)和(c)分別表示當反饋系數k爲0，0.2和0.4時，系統輸出光場的強度差噪聲頻譜（曲線A）和對應的散射噪聲極限（曲線B）。紅色直線代表這各個曲線的噪聲平均值。

　　實驗結果如圖3所示，黑色曲線B爲歸一化後的散粒噪聲極限，藍色曲線A爲歸一化後輸出光場的強度差噪聲，紅色直線代表著各個曲線歸一化後平均噪聲水平強度。如圖3(a)所示，當k=0時，系統沒有反饋，可以看做單個非相位敏感的四波混頻過程，此時系統産生了-2.30dB的強度差壓縮。當k=0.2時，系統産生了-4.03dB的強度差壓縮，如圖3(b)。當繼續增大反饋爲k=0.4時，系統産生了-1.19dB的強度差壓縮，如圖3(c)。可以看到，隨著反饋強度的增加，系統的強度差噪聲也隨之發生變化。另外在一定反饋情況下，反饋控制可以使系統的強度差壓縮增大；然而繼續增大反饋強度，系統的強度差壓縮程度反而降低，甚至低于無反饋情況，發生了過度反饋的現象。

　　圖4：在放大器泵浦功率分別爲65mW，75mW，85mW情況下，不同反饋系數k下，系統輸出光場的強度差壓縮。縱坐標爲強度差壓縮IDS，橫坐標爲反饋系數k。實線爲實驗得強度差壓縮，虛線爲理論考慮系統損耗情況下的強度差壓縮。假設原子池中探針光和共轭光的透射系統分別爲Ta=0.9，Tb=0.95，光路傳輸損耗爲l=0.18，探測效率爲η=0.9。紅色點狀：65mW；藍色正方形：75mW；綠色棱形：85mW。

　　如圖4所示。從圖中可以得到，在不同泵浦功率情況下，各自都存在一個最優的反饋參數k?，能夠使得系統的量子特性最大化。當P=65mW時，k?在[0.25,0.35]間，系綜最大強度差壓縮爲|2.65dB；當P=75mW時，k?在[0.20,0.30]間，系綜最大強度差壓縮爲徦3.54dB；當P=85mW時，k?在[0.15,0.25]間，系綜最大強度差壓縮爲|4.03dB。我們也測量了其他泵浦功率下的情況，發現泵浦功率越大，最優反饋系數k?越小，這個從理論計算中也可以推導出來，實際測量結果和理論模擬趨勢相同，但在絕對數值上存在大約1dB的偏移，這可能是由于其他損耗導致的。

　　高壓放大器推荐：ATA-7020

　　圖：ATA-7020高壓放大器指標參數

　　本资料由Aigtek安泰电子整理发布，更多案例及产品详情请持续关注我们。西安安泰电子Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免費試用。如想了解更多功率放大器等产品，请持续关注安泰电子官网www.aigtek.com或拨打029-88865020。