Не новость, но особенно наша находка: Red Pitaya одновременно стабилизирует несколько лазеров

Одна сканируемая полость Фабри—Перо перенесла частотную привязку между лазерами 556 и 399 нм с RMS-отклонением менее 1 МГц примерно за 10 часов. В быстром режиме сканирования через AOM гетеродин двух лазеров на 556 нм показал 19 кГц RMS в полосе 0–0.2 Гц. Результат упирается в атмосферную дисперсию резонатора и ограниченный частотный ход модулятора.

Группа ArQusLab представила реализацию scanning transfer cavity lock на платах STEMlab/Red Pitaya: общий резонатор Фабри—Перо последовательно видит опорный и ведомые лазеры, а FPGA выделяет их резонансные пики и замыкает независимые контуры частоты. В установке стабилизировались три источника: опорный лазер 556 нм, второй лазер 556 нм для гетеродинного контроля и лазер 399 нм для спектроскопии иттербия. Разнос между опорной и коротковолновой линиями составляет примерно 157 нм.

Резонатор длиной около 82 мм имеет свободный спектральный диапазон 1.8 ГГц и измеренную finesse около 600 на обеих длинах волн. Пьезоэлектрический привод меняет длину полости с периодом 4 мс. Фотодиодный сигнал оцифровывается, после чего логика FPGA ищет максимумы в заданных временных окнах. Координата пика ведомого лазера рассчитывается относительно двух соседних пиков опорного: разность с левым опорным пиком делится на интервал между опорными пиками. Такая нормировка подавляет общий дрейф шкалы сканирования и изменение его амплитуды. Делитель реализован IP-блоком Vivado div_gen, далее рассчитанная ошибка поступает в отдельный PID-регулятор.

Временное мультиплексирование здесь определяет работоспособность схемы. Каждый луч пропускается к полости только в собственном окне двухпроходным акустооптическим модулятором. Это снижает вероятность наложения резонансов и паразитного влияния одного канала на другой. Детектор содержит порог и sample-and-hold: при пропадании пика PID сохраняет предыдущее управляющее значение, вместо реакции на шумовой максимум. Авторы указывают, что архитектура платы допускает до четырёх контуров, хотя в показанном стенде применялись две Red Pitaya и три лазера.

Для канала 399 нм получено RMS-отклонение частоты менее 1 МГц примерно за 10 часов при компенсации давления воздуха. Контроль выполнялся по спектроскопическому переходу иттербия с естественной шириной около 29.1 МГц, поэтому этот опыт задаёт порядок долговременного дрейфа, но не даёт метрологической точности узкополосного гетеродина. Главной причиной остаточного дрейфа названа зависимость показателя преломления воздуха от давления: резонатор расположен в атмосфере, а поправка подаётся программным feed-forward от внешнего датчика RuuviTag.

Быстрый вариант заменяет пьезосканирование перестройкой RF-привода AOM. Частота сканирования достигала 7.5 кГц, амплитуда — 40 МГц. Для пары лазеров 556 нм гетеродинный шум в полосе 0–0.2 Гц составил около 19 кГц RMS против 67 кГц при пьезосканировании. Прирост связан с более плотной дискретизацией ошибки и сокращением влияния низкочастотных возмущений между проходами скана.

У режима AOM есть жёсткая геометрическая цена. Диапазон 40 МГц составляет около 3% от FSR резонатора, поэтому рабочие резонансы пришлось сводить близко друг к другу, включая выбор высших поперечных мод. Для широкого поиска мод и захвата лазера остаётся нужен длинный пьезоскан. Авторы опубликовали Python-интерфейс, Verilog и FPGA binary в отдельном репозитории модифицированного PyRPL. Работа пока существует в форме препринта; независимая репликация измерений не заявлена.