在澳大利亚国立大学，引力天体物理中心的博士生阿瓦尼什·库鲁·拉玛莫汉 (Avanish Kulur Ramamohan) 正在研究通过降低相对频率噪声来提高差分测量（例如用于引力波探测的测量）的精度。这项工作展示了一种无需特殊参考腔即可降低频率噪声的独特方法，为计量学、引力波探测和量子通信领域的高级研究做出了贡献。
这些系统的核心挑战在于抑制激光频率噪声，尤其是在低傅里叶频率下。本研究旨在展示一种无需依赖超稳定参考腔或高度专业化的激光系统即可降低此类噪声的新方法。该团队采用了一种共模噪声消除方案，使用类似的激光器和差分读出来抑制不相关的噪声（图1）。通过使用类似的激光器，并采用 Moku:Pro 和 Moku 激光锁频/稳频器Avanish 可以实现一种实用的噪声抑制方法，然后将其集成到更广泛的精密测量中，为未来传感器技术和基础物理实验的突破打开大门。
图 1：具有四个 PLL 的光学锁相装置示意图（顶部、 纸质版) 和实验装置（底部）。
Liquid Instruments 的 Moku 设备同样由澳大利亚国立大学引力天体物理中心分拆而来，为团队提供了理想的系统，使其能够进行精确、低噪声的测量，同时保持了尖端研究所需的可定制性。Avanish 利用激光锁相盒 (Laser Lock Box) 同时稳定了四个光学锁相环，从而实现了激光频率噪声的抑制，并实现了较大的频移动态范围。此外，Avanish 还利用 Moku 系统实现了 频率响应分析仪, 相位表以及其他用于增强特性描述和控制的仪器。
挑战
激光频率噪声，尤其是低于1 Hz的噪声，在低傅里叶频率测量中尤其难以抑制。在使用多个独立激光器的系统中，不相关的频率波动会降低信噪比，进一步降低测量精度，并使激光稳频实验中常见的长期稳定性和与环境噪声的隔离变得困难。
该装置包括 Mephisto 2000NE、Mephisto 500NE 和 Lightwave 126-1064-700 等高端激光器、多个带 PID 控制的数字伺服系统以及环内和环外光电探测器。为了采集数据，该团队之前使用了控制和数据系统 (CDS) 机器，这种机器在 LIGO 类装置的控制环路中很常见。然而，这种方法的最大数据捕获频率为 120 kHz，并且必须配备额外的伺服系统才能支持快速和慢速 PID 控制。这种装置功能有效，但维护难度越来越大，难以达到精密测量所需的噪声性能。
执行复杂的锁相任务和低频传递函数测量的需求突破了实验室现有仪器的极限。随着实验的进展，我们越来越意识到需要一个更加集成、灵活的系统。
“我这次实验中，Moku 的最终目标是实现激光器的相位锁定，这在所有设备正常运行时非常重要，”Avanish 说道。“使用这种方法，读数中就不会出现频率噪声。”
解决方案
使用 Moku:Pro 来应对这些挑战，Avanish 可以用一台设备取代其设备中的多种工具。他们最初使用 Moku:Lab 来表征噪声，之后逐渐过渡到使用 Moku:Pro 进行全面的系统集成。
“看到 Moku 提供的选项，我想，‘这款设备可以实现所有传感器读数的功能，’”Avanish 说。“我们买了一台 Moku:Pro，最后我在 Moku:Pro 里完成了所有的特性分析。它非常方便。”
凭借 Moku:Pro 的灵活性和低噪声性能，Avanish 成功完成了下一阶段的实验，即相位锁定。借助 Moku:Pro，Avanish 可以用一台设备执行关键的分析、生成和控制任务，并重新配置设备中的 FPGA 以执行不同的功能。例如，Avanish 使用频率响应分析仪进行传递函数测量（图 2b），以表征图 2a 中的环路并验证反馈控制。他还使用 Moku 数据记录器、波形发生器和相位计进行了噪声测量并记录数据。
图 2：(a) PLL 框图，显示环路模块组件描述符、环路输入噪声点以及误差信号和控制信号提取点。伺服器指的是 Moku PID 控制器。(b) 使用 Moku 频率响应分析仪捕获的环路组件模块的增益响应和开环传递函数 (OLTF)。摘自论文。
在实验的核心中，Moku:Pro 使用 多仪器并行模式对设备内部的 FPGA 进行部分重新配置，以同时部署四个独立的激光锁相盒 (Laser Lock Box) 仪器，每个仪器运行各自的光学锁相环 (OPLL)。借助四个集成的激光锁相盒仪器，该团队能够在整个系统中保持精确的相位控制，同时最大限度地降低设置的复杂性。
结果
借助 Moku:Pro，Avanish 实现了稳定的低噪声锁相，同时在宽调谐范围内保持了环路稳定性，如图 3a 所示。一项关键实验结果表明，在 +/- 100 MHz 的调谐范围内，本振成功锁相，且锁定过程无任何中断，频率偏差如图 3b 所示。
图 3：PLL 环内和环外拍音的频率偏差测量。图 3(a) 中的测量结果采用 Moku 相位计测量，图 3(b) 中的环外拍音频率偏差的时间序列测量结果采用 NI 5761 测量。摘自论文。
“如果我必须手动操作或使用模拟系统，我想我不可能通过本地振荡器获得这么多信号，尤其是考虑到 Moku 的本底噪声非常低，”Avanish 说道。“这是我欣赏 Moku 的关键功能之一。”
借助图4屏幕上显示的多仪器模式下的激光锁相盒，Avanish克服了各种固有挑战和性能挑战，实现了精确的相位锁定。所有这些挑战都比其他解决方案具有更好的噪声性能和稳定性。他已经开始使用同样的技术进行 庞德-德雷弗-霍尔锁定 使用 Moku:Pro 激光锁盒，预计今年晚些时候将获得更多成果。
图4：测试机架，配有各种测试设备，包括两台 Moku:Lab 设备和一台 Moku:Pro 设备，位于机架中央。上方两个 iPad 屏幕上可以看到激光锁盒仪器，左下方 iPad 屏幕上可以看到频率响应分析仪的增益和相位图。
锁定装置中的另一个关键仪器是 Moku PID 控制器，通过使用内置双积分器，实现了低频高增益。
“这就是它帮助实验实现如此高频率噪声抑制的原因，”Avanish说道。“我不知道还有什么设备能在低频下带来如此大的增益，从而实现如此低的频率噪声性能。这正是我想要的——没有其他设备能做到这一点。”
结语
Avanish 及其团队的工作不仅解决了精密测量领域长期存在的技术难题，还为未来引力传感、计量学和量子系统的研究提供了一个可扩展的模型。该团队对 Moku:Pro 的使用体现了灵活仪器与高影响力物理研究的强大结合，未来将有更多成果发表。
值得注意的是，Avanish 和他的团队正在调试扭摆拨号振荡器 (TorPeDO)。利用该方案和 Moku:Pro 激光锁定盒，该团队可以同时对四个激光器进行 Pound-Drever-Hall 锁定，从而直接测量牛顿噪声（即重力梯度噪声），并控制测量激光频率以紧密跟踪 TorPeDO 腔长的变化（图 5）。
图5：ToRPeDO传感器原理图。Moku:Pro包含反馈控制、低通滤波器（LPF）、混频器和PDH本振。转载自论文。
Moku:Pro 已成为这个引力物理实验室中不可或缺的工具，可在单个可重构设备内实现高性能相位锁定、低频噪声抑制和集成系统控制。
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