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Moku：Pro/Lab/Go的激光稳频一体化解决方案

Pound-Drever-Hall（PDH）技术是一种主动锁频技术，是目前激光稳频系统中性能手段之一，由 R.V. Pound，Ronald Drever 和 John L在19831年首次提出的。利用Fabry-Perot（F-P）腔稳频的激光系统是常见的一种稳频方法。当激光被射入一个F-P腔中时，它会被反射、透射或吸收，腔的长度越接近激光器的精确波长的一半，激光器的能量就会被传输的越远。不幸的是，激光的频率和腔长的连续变化取决于一系列的因素，如环境温度、注入电流和量子波动。PDH锁定利用从谐振腔反射出来的光来产生一个误差信号，来对谐振腔的长度或激光器的频率进行微调，从而完成腔长和激光频率的某种匹配，以达到最大限度地实现远距离传输。

根据框图简单说一下PDH技术，激光器输出频率为ω的激光，然后经过EOM晶体（electric-optical modulator）电光调制器，对激光光场进行射频电光相位调制，然后将调制后的激光信号经过偏振分束棱镜（PBS）与四分之一波片（λ/4）进入光学腔，然后通过反射到达光电探测器，偏振分束棱镜（PBS）与四分之一波片（λ/4）的作用就是让腔反射光进入探测器。然后对反射光信号进行相位解调，得到反射光中的频率失谐信息，产生误差信号，然后通过低通滤波器和PID（比例积分电路）处理后，反馈到激光器的压电陶瓷或者声光调制器等其他响应器件，进行频率补偿，最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。关于PDH技术的理论细节可以在一些综述论文和学位论文中找到。为了实现PDH锁定，需要一些专用的和定制的电子仪器，包括信号发生器，混频器和低通滤波器。Moku的激光锁盒集成了全部的PDH电子仪器，在提供高精度的激光稳频功能上实现了便捷易用。

图1：PDH稳频系统原理图

一． 实验装置

Moku的激光锁盒集成了波形发生器、混频器、低通滤波器和用于PDH锁定的双级联PID控制器。通过调节激光腔的长度，可以监测反射光的振幅，并在屏幕上实时显示PDH信号。用户只需轻轻一敲就可以将激光锁定在任何过零点。

图2： 主用户界面Moku:Lab激光锁盒

在一个示例设置中，Prometheus激光器（Innolight, 20NE）的出射光由电光调制器（EOM, iXBlue, NIR-MPX-LN-0.1）调制，照射到由三镜环形腔（168 mm，即1.78 GHz的FSR），此腔体线宽为190 kHz。反射光被输入耦合器即时反射捕获。用两个光电二极管（PD, Thorlabs, PDA05CF2）来检测腔体的透射光和反射光。PD上检测到的信号被输入到Moku:Lab的输入1（混频器输入，交流耦合电阻50 Ω）和输入2（监视器，直流耦合电阻50 Ω）。利用Moku的激光锁盒波形发生器，在3.0 MHz的频率下产生了500 mVpp的本振（LO）信号。然后LO信号从Moku：Lab的输出2输出，通过偏置器 （miniccircuits, ZFBT-6G+）驱动EOM。用LO数字信号波形解调来自光学腔的反射响应信号，这里我们用到了数字混频器和角频300.0 kHz的四阶数字低通滤波器。通过扫描空腔共振的激光频率，调整相位延迟，直到误差信号峰-峰电压（斜率）最大，从而调整混频器处LO信号的相移。

快速PID控制器的积分器单位增益频率（0 dB点）为5.8 kHz，初始积分器饱和角为100 Hz。然后将快速PID的输出1直接连接到激光器的压电陶瓷上来驱动激光频率。在扫描模式下，该输出也会产生斜坡信号来发现空腔谐振。低频PID控制器的比例增益为-32.2 dB，积分器交叉频率为200 mHz。Moku：Lab的输出2出来后通过Bias-Tee分成了两路，一路到了EOM，一路到了激光的温度控制BNC接口端。在该激光温度致动器上放置了一个20dB的衰减（Minicircuits, HAT-20+），以降低其灵敏度。

图3：利用Moku：Lab建立的PDH技术的实验装置

二． Moku系列产品参数

Moku：Pro Hardware

Specifications

Analog I/O

Analog inputs

Analog outputs

三． 结果和讨论

通过监控传输的光电探测器功率，并通过ccd相机（也可以使用红外敏感观察卡）查看传输过程中的激光模式形状，来验证激光对腔和TEM00模式的锁定。这些监测信号的时域信息很容易在Moku:Lab的激光锁盒功能内置的示波器中实时查看。

利用内置的示波器测量特性来捕捉误差信号均方根RMS，对整个环路的增益进行了基本优化。增加增益使误差信号的均方根最小；太多的增益会引起振荡，太少的增益意味着激光频率扰动仍然没有得到充分的抑制。进一步的环路性能改进可以通过频域优化来实现，这可以通过在Moku:Lab输出1和激光压电之间注入扫频正弦扰动来实现，激光压电使用了求和前置放大器，并可以测量回路中注入扰动的抑制。这样的测量可以进行使用第二个Moku:Lab的功能：频率响应分析仪。在这些高度优化的配置中，环路的单位增益频率应该优化到30-60 kHz（高于这通常相对于激光的压电响应速度快很多）。

在一次测试中，使用单腔双激光测试验证了控制回路的性能。第二个激光器被锁定在腔内一个自由光谱范围（FSR）上，第一个激光器的锁与第二个具有相同的Moku:Lab激光锁频设置。在两个独立频率的锁定下，比较了两种激光器在相同的普通腔的噪声：独立的电子噪声和Moku数字化噪声。这两种锁定激光器之间的剩余频率变化与腔间隔噪声、腔涂层的热噪声和来自实验室环境的常见振动无关，这种噪声仅由控制回路和传感器产生，测量方法是将来自两个激光路径的光结合到一个高速光电探测器中，与一个稳定的GHz函数发生器混频，并使用第三个Moku:Lab仪器，一个相位表，来跟踪频率偏差。Moku:Lab相位表通过产生相对频率噪声的ASD来读出剩余频率噪声。我们得到了在每个环路10 Hz的情况下，控制回路的残余噪声是0.1 Hz/ Hz。腔激光锁模的真实绝对性能最终受到基频热涂层噪声的限制。

在以上的实验论述中，我们发现我们需要三台Moku：Lab来功能完成这个实验。如果我们使用Moku：Pro的多仪器并行功能，即可同时在一台仪器上运行多个功能，更加节省了实验室空间以及实验的便捷性。

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https://www.auniontech.com/details-1528.html

https://www.auniontech.com/details-1453.html

https://www.auniontech.com/details-1470.html

相关文献：

[1] Drever, R. W. P., Hall, J. L., Kowalski, F. V., Hough, J., Ford, G. M., Munley, A. J., & Ward, H. (1983). Laser phase

and frequency stabilization using an optical resonator. Applied Physics B, 31(2), 97-105.

[2] Nickerson, M. A review of Pound Drever Hall laser frequency locking. JILA, University of Colorado and Nist.

[3] Lally, E. M. (2006). A narrow-linewidth laser at 1550 nm using the Pound-Drever-Hall stabilization technique(DOCToral dissertation, Virginia Tech).

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关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

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Moku: Go推出激光锁频/稳频功能！

Moku主打仪器功能激光锁频/稳频， 被广大客户应用到量子光学、引力波探测、精密光谱、光纤传感和冷原子等专业实验系统中。近期发布的2.6.0版本升级，Liquid Instruments 又突破性地将激光锁频/稳频功能部署到了 Moku:Go设备中，将为客户提供具备低成本、小尺寸、低功耗等优点的全套稳频方案。现在，激光锁频/稳频已经集成到Moku: Go 、Moku:Lab,、Moku:Pro三个平台，全方位满足客户不同应用需求。

概览

Moku:Lab激光锁频/稳频采用高性能调制锁定技术，该仪器内部已经集成了调制解调、示波器、PID控制和自定义滤波器等多种模块功能，包含快速精确扫描和先进锁定诊断等自动化程序，能快速锁定激光频率至谐振腔或者原子迁跃。通过使用“锁定辅助”功能，用户可以自定义分阶段锁定步骤来快速锁定到误差信自定义来快速锁定到误差信号解调后的零交叉点。Moku: Go将是市面上集成度与性价比极高的一体化激光稳频解决方案。

主要参数

-本振频率: 1 mHz - 20 MHz

-扫描频率: 最高可达10 MHz

-有限脉冲响应低通滤波器的截止频率（转折频率）: 260.1 Hz - 3.516 MHz (二阶或者四阶)

-解调频率: 1 mHz - 30 MHz

-积分器交叉频率: 312.5 mHz - 31.25 kHz, 988.2 mHz - 9.882 MHz (双积分器)

-超快速的数据采集: 快照模式最高至125 MSa/s, 连续模式最高至1 MSa/s

-DAC分辨率: 16位

-外部PLL频率倍频器：0.125倍至250x

-输入耦合: AC或者DC

仪器特点

-使用双PID控制器维持频率锁定,可以独立配置高低带宽PID控制器下的快慢反馈

-扫描波形，包括正向锯齿波, 负向锯齿波, 三角波

-使用最高至四阶有限脉冲响应低通滤波器来过滤解调后的信号, 滤波类型有:Butterworth, Chebyshev, Chebyshev II, Elliptic, Cascade, Gaussian, Bessel, Legendre

-信号处理链路模块化视图，有助于锁定过程中的控制和理解

-“锁定辅助”功能，用户可以自定义带步骤的分阶段锁定过程来快速锁定到误差信号解调后的零交叉点

-板载示波器，使用采样率高达125 Msa/s的内置示波器来观察信号处理链路上的信号探测点

-锁定激光频率至谐振腔或者原子迁跃，支持包括PDH锁频, 外差偏置锁相锁频, RF锁频和抖动锁频

-灵活地配置解调信号源，解调信号源可以是内置本振或者外置本振

-用户可以使用自定义的控制窗口视图来快速访问控制工具栏

典型应用

- PDH技术稳频

-精密光谱学

-引力波检测

-自定义锁相环

-其他闭环控制系统

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稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

PDH 锁定技术基本原理图示

主要特色

·       Local oscillator options本机振荡器选项

o   internal LO

o   PLL LO

o   external LO

·       Single Fast PID 独立高频PID

·       Single Slow PID独立低频PID

·       Scan generator 扫描发生器

o   triangular 三角波

o   sawtooth锯齿波

·       auxiliary sine gen辅助正弦信号发生器

·       configurable low pass filter (2 x SOS)可配置的低通滤波器

·       Monitoring options监测选项

o   Inputs输入

o   Outputs输出

o   error signal误差信号

o   demodulation解调

o   scan扫描

o   aux sine辅助正弦

·       conditional triggering条件触发

·       tap to lock点击即可锁定

·       scope scan lock - locks axis to scan for scanning ease范围内扫描锁定

主要特点

·       Block diagram view of the signal processing chain信号处理框图

·       Demodulate signals with internal or external local oscillator使用内部和外部本机振荡器解调信号

·       Scan resonances with sawtooth or triangle waveforms 扫描锯齿波或三角波共振

·       Observe signals at different locations in the signal processing chain using an integrated oscilloscope使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号

·       Quickly lock to any zero-crossing in the error signal using the ‘Tap-to-Lock’ feature  使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。

·       Low-pass filter demodulated signals with up to fourth order infinite-impulse response filters低通滤波器即高达四阶无限冲激响应滤波器解调信号

·       Individually configure high- and low-bandwidth PID controllers for fast and slow feedback可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈

·       Observe signals with respect to the scanning voltage using the ‘Scope-Scan Lock’ feature使用范围内扫描锁定功能观测与扫描电压有关的信号

Key Specifications典型参数

·       Demodulate with frequencies up to 200 MHz with 3.55 µHz resolution

    解调高达200 MHz频率，频率分辨率3.55 µHz

·       Generate modulation signals at up to 200 MHz

    生成高达200 MHz的解调信号

·       Scan resonances with sawtooth or triangle waveforms at up to 1 MHz

    扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振

·       Generate control signals at a sampling rates of 31.25 MSa/s

    以31.25 MSa/s采样率生成控制信号

·       Continuously acquire data at up to 1 MSa/s

    以高达1 MSa/s持续采集数据

·       AC / DC input coupling

    AC / DC输入耦合

·       50 Ω / 1 MΩ input impedance

    50 Ω / 1 MΩ输入阻抗

·       Adjust the low-pass filter cut-off frequency between to 2.081 kHz and 28.13 MHz

    可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

    更多详细介绍，请参见：https://www.liquidinstruments.com/

激光锁定系统广泛用于控制并将激光器的频率与光学频率参考匹配（这通常是光学参考腔或原子跃迁）。这种系统对于高分辨率干涉测量、光谱系统，以及时间和频率标准至关重要。

通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器一般两种情况：（1）锁定系统控制激光器频率且使其等于参考频率，这被称为频率稳定;（2）锁定系统迫使参考频率跟随激光频率，这被称为频率跟踪。无论是用于频率稳定还是频率跟踪，澳大利亚Liquid Instruments公司的Moku都可以实现高性能，高增益的激光锁定系统。

Moku提供先进的设置、采集和诊断功能，使设置和表征激光锁定系统变得更加容易和快捷。此外，Moku Laserlock锁频功能可用于大多数激光器和频率参考比如PDH锁定（Pound-Drever Hall, PDH）、外差偏移锁定（Heterodyne offset phase locking）、RF锁定（RF locking）和抖动锁定（Dither locking）以及稳定连续波激光器的频率。

激光锁定和PDH技术的基础知识

任何激光锁定技术的核心都是测量并提供激光与频率参考之间差异或误差的测量。通常称为“误差信号”，该信号的质量Z终决定了整个锁定系统的精度和准确性。可以说，获得误差信号的Z精确方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技术。已经证明，在反馈系统中使用PDH误差信号可以非常精确地测量激光器或腔体的变化，从而将其用于吸收光谱和引力波检测等无数应用中。PDH误差信号技术有几个关键优势，例如：
1、该技术可以精确地测量并提供了激光和共振腔之间的相位和频率差异
2、该传感技术提供零交叉误差信号，当误差信号为零时代表其零频率差为零。
3、假设所有信号处理都是以数字方式完成的，它避免了模拟电子和解调电路中产生的低频噪声。

这些优点难免需要付出一些代价。为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH技术应用射频调制和解调技术。这大大增加了信号处理系统的复杂性，也使光学系统变得复杂。但是，一旦理解，与PDH系统的优点相比，这些复杂性是微不足道的。

使用Moku：激光锁频/稳频仪器实现激光锁定

Moku：激光锁频/稳频大大简化了通常操作和使用PDH锁定系统的复杂程度。图1示出了PDH激光锁定系统的示例。该装置使用固态Nd：YAG NPRO激光器，其已经与一个中等精细度光学腔准直并模式匹配。随后使用Moku：激光锁频/稳频产生将激光锁定到腔的谐振频率所需的所有信号。

 

图1：PDH激光锁定系统的示例

锁定激光器包括：
1、设置系统（包括准直）。
2、调制激光
3、寻找共振点
4、获得误差信号
5、打开反馈
6、优化锁定

系统设置

为了使系统Z佳地工作，需要确保激光器的出射光与腔的光轴良好准直，并且激光器的模式与谐振器的空间模式很好地匹配。重要的是要注意，未准直或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本不工作。Z后，使用两个光电探测器监测系统；一个光电探测器接收从腔体反射回来的光，另一个接收穿过腔体的光。

连接Moku：Lab输出端

为了应用PDH成功锁腔，需要生成几个信号。
1、调制信号：发送到EOM以产生相位调制边带。
2、主要反馈信号：在这种情况下反馈到激光器的PZT频率控制器。为了驱动激光器的PZT，需要使用高压放大器（HV amp）。
3、次反馈信号（可选）：可通过温度来调节激光频率，温度反馈的动态调控范围较广，但速度较慢。
在这种情况下，调制信号和次反馈信号在Moku：Lab的输出2上生成，并使用Bias-Tee分离。


连接Moku：Lab输入端

光电探测器接收到的反射信号通常包含了产生反馈信号所需的所有信息，将其与输入1连接并作为主要的信号输入通道。第二输入通道可以用来监控任何辅助信号。
1、输入1用作大多数信号处理的主要通道。在该系统中，将光电探测器AC输出连接到Moku：Laser Lock Box的输入1。
2、将透射光信号的直流分量连接到输入2，尽管不是必需的，但其有助于识别和优化锁定系统中的特征。

调制激光

在这种情况下的相位调制是通过向EOM施加正弦电压信号来实现的。调制信号可以辅助振荡器功能来产生。对于该系统，我们将使用10 MHz调制。
1、将辅助振荡器设置为10 MHz。
2、设置辅助振荡器的幅度。务必选择EOM规格范围内的电压。在这种情况下，我们将幅度设置为100 mV。
3、选择Aux Oscillator输出。在此示例中，将Aux示波器设置为输出2。
4、打开输出。

扫描激光频率并找到共振频率

扫描激光频率有助于表征和优化锁定信号。
Moku：Laser Lock Box附带扫描功能。在此示例中，我们将对扫描发生器进行设置，使其输出一个信号并通过输出1传递给PZT传动装置。步骤如下：
1、将“扫描”设置为三角波
2、将幅度设置为500 mV
3、选择扫描信号的输出端，在此示例中为输出1
4、打开输出

 

图2：辅助振荡器用于驱动EOM并创建相位调制边带。

使系统共振信号居中

为了使激光锁定更顺利，我们通常可以在扫描中将共振信号调整到扫描信号的ZY，后续可以通过调整温度控制器的偏移量来实现。
o    调整温度偏移，直到扫描ZX共振频率出现在扫描信号的零值附近。


获取并优化误差信号

为了获得误差信号，从光电探测器接收的RF信号需要用本地振荡器解调。选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。如下：
o    在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。
 

图3：通道A和B分别显示腔的透射响应和经过恢复的误差信号。

手动锁定激光

1、调整共振信号至扫描的ZY.
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、打开PID控制器
4、缓慢降低扫描幅度，直到激光功率达到Z大值。
5、关闭扫描

使用Tap来锁定

1、调整共振信号至扫描的ZY。
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、选择Tap为锁定模式
4、选择需要锁定共振点
 注意：确保反馈的方向正确。

调整和优化锁定

一旦系统锁定，我们可以根据需要优化锁定。这通常意味着调整PID控制器的增益。
要执行此操作，请打开PID控制器菜单：
1、稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。
2、稍微降低比例增益，直到系统停止振荡
3、对积分器和微分器重复此操作（如有必要）
 

图4：当激光器锁定时，透射光的功率（通道A）将处于其恒定的Z大值。误差信号（通道B）也将保持为零。

除了激光锁频/稳频，Moku:Lab还集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、锁相放大器、PID控制器、波特分析仪、数字滤

波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器。

稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

主要特色
（1）本机振荡器选项：内部LO、PLL LO和外部LO
（2）独立快速PID控制器
（3）独立慢速PID控制器
（4）扫描发生器波形：锯齿波和三角波
（5）扫描频率：1 mHz – 14 MHz
（6）可配置的滤波器类型：Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic、Gaussian、Bessel、Legendre。
（7）监测信号选项：输入、输出、误差信号、解调信号、扫描信号等
（8）点击即可锁定
（9）AC/DC输入耦合
（10）50 Ω/1 MΩ输入阻抗
 
主要特点
（1）信号处理框图
（2）使用内部和外部本机振荡器解调信号
（3）锯齿波或三角波共振扫描
（4）使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号
（5）使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。
（6）高达四阶低通IIR无限冲激响应滤波器解调信号
（7）可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈
（8）使用“范围内扫描锁定”功能观测与扫描电压有关的信号

典型参数
（1）解调高达200 MHz的频率，频率分辨率3.55 μHz
（2）生成高达200 MHz的解调信号
（3）扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振信号
（4）以31.25 MSa/s采样率生成控制信号
（5）以高达1 MSa/s持续采集数据
（6）AC / DC输入耦合
（7）50 Ω / 1 MΩ输入阻抗
（8）可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

相关参考介绍

Moku:Lab多功能测量仪之激光锁频/稳频功能介绍，请点击 这里

Moku:Lab多功能测量仪介绍，请点击 这里

Moku Laserlock激光稳频仪功能介绍英文版，请点击 这里

Moku:Lab可用于使用外差检测和主动反馈来稳定两个激光器的相对频率和相位。

考虑以下光学系统，其中主激光器发出的激光与从激光器发出的激光发生干涉，产生频差信号，该频差信号通过光电探测器后转换为差频的电压信号。该频差信号可使用称为偏移锁相技术“锁定”两个激光器的相对相位，该技术可以使用Moku:Lab多功能测量仪上的锁定放大器。

偏置锁定以一定的偏置频率稳定两个或更多个激光器的相对相位。在原理上类似于锁相环的操作，其主要功能是检测两个振荡器之间的相位误差并更新其中一个振荡器的相位，使得它们的瞬时相位误差为零。

Moku:Lab锁相放大器的双相解调器产生的信号与输入信号的相位成比例，该输入信号的相位是相对于偏移频率的参考振荡。误差信号可以路由到专用的PID控制器，以产生控制信号，从而驱动从激光器的频率（或相位）。在大多数情况下，激光的频率可以通过压电换能器（PZT）或电流来控制，也可以使用其他类型的致动器包括电、热和声光调制器，但这里不考虑这些技术。

将Moku:Lab连接到光学系统

1、 将光电探测器的输出连接到Moku:Lab的In 1

2、 将Moku:Lab的Out 1连接到激光器的频率致动器PZT上。您可能希望在Moku:Lab测量仪和激光器之间添加一个低通滤波器，以YZ噪声或提供高于特定频率的额外积分。

配置Moku:Lab进行偏移相位锁定

1、 从Moku:Lab测量仪的iPad应用程序上启动锁相放大器

2、 按界面右上角的“高级设置”图标，选择内部解调，将辅助输出设置为本地振荡器，将PID控制器设置为主输出。

3、 界面现在看起来是这样的：

4、 按程序框图左侧的“In 1”图标，配置系统的输入设置（例如，DC耦合，50Ω输入阻抗和0 dB输入增益）

Tip：增益设置用于Z大化输入信号的动态范围。如果输入信号介于60 mVpp和1 Vpp之间，请选择0 dB增益。如果信号在5 mVpp和60 mVpp之间，请选择+24 dB增益。

5、 将内部参考的解调频率设置为所需的偏移频率。Moku:Lab测量仪支持高达200 MHz的偏移频率，但是这个值可能会受到光电探测器带宽的限制。

6、 将低通滤波器截止频率设置为大约100 kHz。该值将根据反馈环路的闭环带宽而变化。

7、 通过点击滤波器下方的蓝色6 dB文本，将滤波器斜率设置为12 dB/octave。

8、 将解调器设置为R/θ模式，然后点击蓝色“gate”将相位θ连接到输出output。

9、 Z后，根据系统的特定要求配置PID控制器。

您选择的特定增益轮廓线将在很大程度上依赖于多个因素，包括：

（1）     致动器的带宽（例如，对于PZT，可以高达100s of kHz）

（2）     致动器的响应速度（例如，对于PZT，可以是MHz/Volt的量级）

（3）     反馈环路中的外部滤波器（例如，Moku:Lab测量仪的DAC输出和致动器输入之间的低通滤波器）

（4）     通过系统的总传播延迟

通过测量系统中不同元件的传递函数可以简化调节控制器的增益，对于某些组件（例如滤波器），尽管可以从数据表中查看大多数信息例如以Hz/Volt为单位的致动器带宽和响应度，但是您可以使用Moku:Lab测量仪的伯德分析仪（Bode Analyzer）进行测量。

在光电探测器上产生拍频信号

为了抵消相位锁定的两个激光器，它们的频率必须首先足够接近，以便当在光电探测器上受到干涉时产生可见的拍频。这实际上可能难以实现，因为激光器通常对温度非常敏感，这意味着当在不同温度下操作时，两个相同的激光器的频率可以相差高达10s of GHz。幸运的是，大多数激光器都具有热致动器，可用于多个GHz的粗调频率控制。该特征可用于将两个激光器的频率调节到光电探测器的带宽内以产生可见的拍频信号。

检查两个激光器的频率是否在光电探测器范围内的一种方法是使用Moku:Lab测量仪的频谱分析仪，其允许您观察250 MHz范围内的拍频频率。

1、 首先，启动Moku:Lab测量仪上的Spectrum Analyzer仪器并检查光电探测器输出是否连接到Moku:Lab测量仪上的In 1

2、 配置系统的输入设置（例如，DC耦合、50Ω输入阻抗和0 dB输入增益）

3、 将频率跨度设置为250 MHz，将分辨率带宽设置为Min，将Window设置为Hanning。在此配置中，您将能够看到光电探测器带宽内出现的任何拍频信号（假设它小于250 MHz）。

Tip：如果光电探测器的带宽为50 MHz，则应将跨度设置为100 MHz，起始频率为0 Hz，因为它不太可能出现在100 MHz以上。

4、 慢慢调节其中一个激光器的温度。重要的是你不要太快的改变激光器温度，因为热调谐系数超过每°K的GHz，并且当你将激光器的频率转得太快，以至于当拍频信号在光电探测器的带宽范围内时，你无法观察到它。

5、 当两个激光器的频率在光电探测器的带宽范围内时，您应该会在频谱分析仪的显示屏上看到一个峰值移动。提高激光温度通常会降低激光频率，因此，如果您一直提高激光温度，那么当拍频信号可见时，应该会看到拍频频率降低。

当拍频频率达到0 Hz时，它会突然出现增加。这是因为频谱分析仪是单边的，意味着负拍频频率似乎是正的。

重要的是，拍频频率随温度的升高而降低（反之亦然），因为这表明频率差是正的。如果频率差是负的，则需要反转到PZT的反馈控制信号。

6、 当看到拍频信号时，等待激光器温度稳定（可能需要半个小时）才能尝试使用锁相放大器将激光器锁定在一起。

Note：如果没有专门的热控制，两个自由运转的激光器不可能在长时间内保持在彼此的范围内。虽然快速（PZT或电流）致动器会在短期内校正由温度漂移引起的任何频率误差，但它们固有地限制在一定范围内（通常Z好是几百MHz）并且无法校正因温度的随机波动而产生的较大的频率误差。

激光锁定系统广泛用于控制并将激光器的频率与光学频率参考匹配（这通常是光学参考腔或原子跃迁）。这种系统对于高分辨率干涉测量、光谱系统，以及时间和频率标准至关重要。

通过强制激光器和参考频率相等来锁定激光器一般两种情况：（1）锁定系统控制激光器频率且使其等于参考频率，这被称为频率稳定;（2）锁定系统迫使参考频率跟随激光频率，这被称为频率跟踪。无论是用于频率稳定还是频率跟踪，澳大利亚Liquid Instruments公司的Moku都可以实现高性能，高增益的激光锁定系统。

Moku提供先进的设置、采集和诊断功能，使设置和表征激光锁定系统变得更加容易和快捷。此外，Moku Laserlock锁频功能可用于大多数激光器和频率参考比如PDH锁定（Pound-Drever Hall, PDH）、外差偏移锁定（Heterodyne offset phase locking）、RF锁定（RF locking）和抖动锁定（Dither locking）以及稳定连续波激光器的频率。

激光锁定和PDH技术的基础知识

任何激光锁定技术的核心都是测量并提供激光与频率参考之间差异或误差的测量。通常称为“误差信号”，该信号的质量Z终决定了整个锁定系统的精度和准确性。可以说，获得误差信号的Z精确方法之一是Pound-drever-Hall（PDH）技术。已经证明，在反馈系统中使用PDH误差信号可以非常精确地测量激光器或腔体的变化，从而将其用于吸收光谱和引力波检测等无数应用中。PDH误差信号技术有几个关键优势，例如：
1、该技术可以精确地测量并提供了激光和共振腔之间的相位和频率差异
2、该传感技术提供零交叉误差信号，当误差信号为零时代表其零频率差为零。
3、假设所有信号处理都是以数字方式完成的，它避免了模拟电子和解调电路中产生的低频噪声。

这些优点难免需要付出一些代价。为了获得频率/相位的这种精确测量，PDH技术应用射频调制和解调技术。这大大增加了信号处理系统的复杂性，也使光学系统变得复杂。但是，一旦理解，与PDH系统的优点相比，这些复杂性是微不足道的。

使用Moku：激光锁频/稳频仪器实现激光锁定

Moku：激光锁频/稳频大大简化了通常操作和使用PDH锁定系统的复杂程度。图1示出了PDH激光锁定系统的示例。该装置使用固态Nd：YAG NPRO激光器，其已经与一个中等精细度光学腔准直并模式匹配。随后使用Moku：激光锁频/稳频产生将激光锁定到腔的谐振频率所需的所有信号。

 

图1：PDH激光锁定系统的示例

锁定激光器包括：
1、设置系统（包括准直）。
2、调制激光
3、寻找共振点
4、获得误差信号
5、打开反馈
6、优化锁定

系统设置

为了使系统Z佳地工作，需要确保激光器的出射光与腔的光轴良好准直，并且激光器的模式与谐振器的空间模式很好地匹配。重要的是要注意，未准直或模式不匹配会导致锁定性能降低，或者在极端情况下，系统根本不工作。Z后，使用两个光电探测器监测系统；一个光电探测器接收从腔体反射回来的光，另一个接收穿过腔体的光。

连接Moku：Lab输出端

为了应用PDH成功锁腔，需要生成几个信号。
1、调制信号：发送到EOM以产生相位调制边带。
2、主要反馈信号：在这种情况下反馈到激光器的PZT频率控制器。为了驱动激光器的PZT，需要使用高压放大器（HV amp）。
3、次反馈信号（可选）：可通过温度来调节激光频率，温度反馈的动态调控范围较广，但速度较慢。
在这种情况下，调制信号和次反馈信号在Moku：Lab的输出2上生成，并使用Bias-Tee分离。


连接Moku：Lab输入端

光电探测器接收到的反射信号通常包含了产生反馈信号所需的所有信息，将其与输入1连接并作为主要的信号输入通道。第二输入通道可以用来监控任何辅助信号。
1、输入1用作大多数信号处理的主要通道。在该系统中，将光电探测器AC输出连接到Moku：Laser Lock Box的输入1。
2、将透射光信号的直流分量连接到输入2，尽管不是必需的，但其有助于识别和优化锁定系统中的特征。

调制激光

在这种情况下的相位调制是通过向EOM施加正弦电压信号来实现的。调制信号可以辅助振荡器功能来产生。对于该系统，我们将使用10 MHz调制。
1、将辅助振荡器设置为10 MHz。
2、设置辅助振荡器的幅度。务必选择EOM规格范围内的电压。在这种情况下，我们将幅度设置为100 mV。
3、选择Aux Oscillator输出。在此示例中，将Aux示波器设置为输出2。
4、打开输出。

扫描激光频率并找到共振频率

扫描激光频率有助于表征和优化锁定信号。
Moku：Laser Lock Box附带扫描功能。在此示例中，我们将对扫描发生器进行设置，使其输出一个信号并通过输出1传递给PZT传动装置。步骤如下：
1、将“扫描”设置为三角波
2、将幅度设置为500 mV
3、选择扫描信号的输出端，在此示例中为输出1
4、打开输出

 

图2：辅助振荡器用于驱动EOM并创建相位调制边带。

使系统共振信号居中

为了使激光锁定更顺利，我们通常可以在扫描中将共振信号调整到扫描信号的ZY，后续可以通过调整温度控制器的偏移量来实现。
o    调整温度偏移，直到扫描ZX共振频率出现在扫描信号的零值附近。


获取并优化误差信号

为了获得误差信号，从光电探测器接收的RF信号需要用本地振荡器解调。选择本地振荡器的正确相位对于优化误差信号至关重要。如下：
o    在观察误差信号的同时调整本地振荡器的相位。
 

图3：通道A和B分别显示腔的透射响应和经过恢复的误差信号。

手动锁定激光

1、调整共振信号至扫描的ZY.
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、打开PID控制器
4、缓慢降低扫描幅度，直到激光功率达到Z大值。
5、关闭扫描

使用Tap来锁定

1、调整共振信号至扫描的ZY。
2、设置高频PID控制器。（此处可以仅先设置积分器频率在~10 Hz，因为后续可以对响应进一步优化）
3、选择Tap为锁定模式
4、选择需要锁定共振点
 注意：确保反馈的方向正确。

调整和优化锁定

一旦系统锁定，我们可以根据需要优化锁定。这通常意味着调整PID控制器的增益。
要执行此操作，请打开PID控制器菜单：
1、稍微增加比例增益，直到系统开始振荡。
2、稍微降低比例增益，直到系统停止振荡
3、对积分器和微分器重复此操作（如有必要）
 

图4：当激光器锁定时，透射光的功率（通道A）将处于其恒定的Z大值。误差信号（通道B）也将保持为零。

除了激光锁频/稳频，Moku:Lab还集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、锁相放大器、PID控制器、波特分析仪、数字滤

波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器。

稳定的激光频率对专业测量或者时间/频率标准领域中的许多系统都至关重要。Moku:Lab激光锁频/稳频是一个高性能激光锁定系统，具备锁定诊断和一些自动化程序，可以使用各种激光锁定技术锁定激光，该系统可用于大多数激光器和频率参考。

主要特色
（1）本机振荡器选项：内部LO、PLL LO和外部LO
（2）独立快速PID控制器
（3）独立慢速PID控制器
（4）扫描发生器波形：锯齿波和三角波
（5）扫描频率：1 mHz – 14 MHz
（6）可配置的滤波器类型：Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic、Gaussian、Bessel、Legendre。
（7）监测信号选项：输入、输出、误差信号、解调信号、扫描信号等
（8）点击即可锁定
（9）AC/DC输入耦合
（10）50 Ω/1 MΩ输入阻抗
 
主要特点
（1）信号处理框图
（2）使用内部和外部本机振荡器解调信号
（3）锯齿波或三角波共振扫描
（4）使用内置示波器观测在信号处理过程中不同位置的信号
（5）使用“点击-锁定”功能快速锁定到误差信号的任一零交叉点。
（6）高达四阶低通IIR无限冲激响应滤波器解调信号
（7）可单独配置的高带宽、低带宽PID控制器用于高频、低频反馈
（8）使用“范围内扫描锁定”功能观测与扫描电压有关的信号

典型参数
（1）解调高达200 MHz的频率，频率分辨率3.55 μHz
（2）生成高达200 MHz的解调信号
（3）扫描高达1 MHz锯齿波或三角波共振信号
（4）以31.25 MSa/s采样率生成控制信号
（5）以高达1 MSa/s持续采集数据
（6）AC / DC输入耦合
（7）50 Ω / 1 MΩ输入阻抗
（8）可在2.081 kHz - 28.13 MHz之间调整低通滤波器截止频率

相关参考介绍

Moku:Lab多功能测量仪之激光锁频/稳频功能介绍，请点击 这里

Moku:Lab多功能测量仪介绍，请点击 这里

Moku Laserlock激光稳频仪功能介绍英文版，请点击 这里

稳频激光器系统中超稳腔的选择

PDH稳频技术原理，是激光器发出激光后，激光经过电光调制器对激光进行一个射频电光的相位调制，经过调制后的信号，再经过一个PBS（偏振分束镜）和一个波片（(λ/4）进入我们的超稳腔与超稳腔进行谐振，反射出来的光再次经过偏振分束镜和波片被反射到光电探测器中，然后对其进行相位解调后得到误差信号，误差信号通过混频器以及低通滤波器进行处理后，得到的信号反馈到激光器的压电陶瓷或其他响应部件进行补偿频率，最终实现激光器另一路激光输出频率的稳定。

PDH稳频技术的核心是通过光学超稳腔产生一个误差信号，其核心部件就是光学超稳腔，超稳腔的性能直接影响了最终输出的激光频率的稳定性。所以光学超稳腔的选择显得尤为重要。在为您的应用选择理想的腔体设计时要考虑的因素包括：

线宽: 在稳频激光器系统中，线宽越窄，激光的频率越集中，输出激光的频率就会越稳定。所以超稳腔的线宽越窄越好。

自由光谱范围(FSR）:相邻两个峰之间的间距.

精细度：自由光谱范围与线宽的比值即为精细度，精细度越高，波长的锁定性越好，输出激光频率的稳定性就越好。

还有工作环境(温度、振动)以及对于稳定性要求（包括短期和长期-可容忍的漂移程度）等，这些参数都会影响稳频激光系统其输出激光频率的稳定性。

F-P腔：F-P腔其优点为充分利用工作物质，使光束在整个工作物质内振荡，可用于大功率输出脉冲激光器。此外，激光束在腔内没有聚焦，在高功率激光器中不会击穿或损伤光学元件，非常适合用来搭建超稳激光系统来用于光学研究和工业生产。

Stable Laser Systems是美国一家知名的任意波长频率稳定激光器组件和系统供应商，公司致力于技术的研发，基于先进的光学超稳腔，拥有极高的专业知识，在设计、测试和优化法布里-珀罗腔体和外壳方面积累了数十年的经验，用于激光频率稳定。对于许多应用，定制镜面镀膜、标准腔体垫片和匹配的真空外壳可实现快速交付

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相关文献：

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随着对准确度和精度越来越高的要求，微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要，特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量，天文学中卫星信号的接收，以及地震学中地震波形和波速的测量。然而，检测微弱信号是相当具有挑战性的，因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中，我们将探讨如何运用Moku锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号，隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测，实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后（以10MHz作为调制频率）被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

Moku：Lab同时用于生成调制信号（输出2）和测量光电探测器上检测到的信号（输入1）。

图1示例实验的光学设置。

我们将使用锁相放大器来处理信号，并通过测量从物体反射的调幅信号的相位，进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能，一个检测强信号，另一个检测弱信号。

强信号测量

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号，我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下，我们使用镜子。

为了模拟运动物体，将镜子安装在机械平台上，使其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm。

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

为了获取强信号产生的强度（以及跟弱信号进行对比），我们可以首先在Moku：示波器上观察10 MHz调制信号。

图2 在Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

图2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察，因此可以直接简单地测量该信号的相位，并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

图3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

图3显示了Moku锁相放大器的设置。在这种情况下，调制信号取自内部本机振荡器。然后，本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

图4 Moku锁相放大器测量的相位信号

图4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样，相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化（用于驱动镜子的信号），由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

弱信号测量

在大多数情况下，物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是，光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射，导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中，信号的检测不那么明显，需要使用更先进的信号处理技术。

为了证明这一点，我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而，这一次，我们使用扩散纸。与镜子不同，从纸张反射的光在朝多方向散射，因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动，并作为模拟信号。

图5 Moku示波器测量的10 MHz弱信号

我们再次使用Moku：示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同，示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

但是，信号仍然存在，可以使用锁相放大器进行恢复。首先，我们调整输入端增益。在这种情况下，我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段，信号和噪声都增加，导致无SNR（信噪比）变化。

图6 为测量弱信号Moku锁相放大器设置

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内，从而我们可以进一步消除噪声。这个可以通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下，将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了Moku锁相放大器参数的设置。结果如图7所示。

图7 Moku锁相放大器测量的相位信号。

我们看到，该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声，并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化，从而消除更多噪声。总之，该实验表明通过调整Moku锁相放大器的一些关键参数，我们能够检测出扩散物体的位移。

 Moku:Lab 锁相放大器规格参数

概要

Moku:Lab数字锁相放大器支持双相解调(XY/RØ)频率范围DC-200MHz，动态储备高达100 dB。同时集成来双通道示波器和数据记录器，可以高达500 MSa/s采样率实时观测信号，并可以高达1MSa/s速率记录数据。

主要特点

·     优于80 dB动态储备

·     直观的数字信号处理示意框图

·     内置探测点用于信号监测和数据记录

·     支持内部和外部解调模式，包括PLL(锁相环)

·     双相解调

·     可切换矩形（X/Y）或极坐标（R/ θ）

·     内置PID控制器

典型参数

·     解调频率范围：1 mHz 到200 MHz

·     频率分辨率：3.55 μHz

·     相移精度：0.001°

·     输入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

·     输入阻抗：50 Ω / 1 MΩ

·     可调时间常数：40 ns 到0.6 s

·     滤波器滚降斜率：6 dB/12 dB 倍频程

·     输出增益范围：± 80 dB

·     本机振荡器输出频率高达200 MHz，可调振幅

·     超快数据采集：快照模式高达500 MS/s，连续采集高达1MS/s

除了锁相放大器，Moku:Lab还免费集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、激光锁频/稳频、PID控制器、波特分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器功能于一台设备。凭借功能强大的iPad APP、LabVIEW、Python、MATLAB等软件，您随时可以在iPad平板或PC电脑端随意的控制和使用这12个专业测量仪器。

随着对准确度和精度越来越高的要求，微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要，特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量，天文学中卫星信号的接收，以及地震学中地震波形和波速的测量。然而，检测微弱信号是相当具有挑战性的，因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中，我们将探讨如何运用Moku锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号，隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测，实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后（以10MHz作为调制频率）被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

Moku：Lab同时用于生成调制信号（输出2）和测量光电探测器上检测到的信号（输入1）。

图1示例实验的光学设置。

我们将使用锁相放大器来处理信号，并通过测量从物体反射的调幅信号的相位，进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能，一个检测强信号，另一个检测弱信号。

强信号测量

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号，我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下，我们使用镜子。

为了模拟运动物体，将镜子安装在机械平台上，使其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm。

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

为了获取强信号产生的强度（以及跟弱信号进行对比），我们可以首先在Moku：示波器上观察10 MHz调制信号。

图2 在Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

图2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察，因此可以直接简单地测量该信号的相位，并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

图3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

图3显示了Moku锁相放大器的设置。在这种情况下，调制信号取自内部本机振荡器。然后，本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

图4 Moku锁相放大器测量的相位信号

图4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样，相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化（用于驱动镜子的信号），由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

弱信号测量

在大多数情况下，物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是，光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射，导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中，信号的检测不那么明显，需要使用更先进的信号处理技术。

为了证明这一点，我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而，这一次，我们使用扩散纸。与镜子不同，从纸张反射的光在朝多方向散射，因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动，并作为模拟信号。

图5 Moku示波器测量的10 MHz弱信号

我们再次使用Moku：示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同，示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

但是，信号仍然存在，可以使用锁相放大器进行恢复。首先，我们调整输入端增益。在这种情况下，我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段，信号和噪声都增加，导致无SNR（信噪比）变化。

图6 为测量弱信号Moku锁相放大器设置

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内，从而我们可以进一步消除噪声。这个可以通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下，将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了Moku锁相放大器参数的设置。结果如图7所示。

图7 Moku锁相放大器测量的相位信号。

我们看到，该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声，并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化，从而消除更多噪声。总之，该实验表明通过调整Moku锁相放大器的一些关键参数，我们能够检测出扩散物体的位移。

 Moku:Lab 锁相放大器规格参数

概要

Moku:Lab数字锁相放大器支持双相解调(XY/RØ)频率范围DC-200MHz，动态储备高达100 dB。同时集成来双通道示波器和数据记录器，可以高达500 MSa/s采样率实时观测信号，并可以高达1MSa/s速率记录数据。

主要特点

·     优于80 dB动态储备

·     直观的数字信号处理示意框图

·     内置探测点用于信号监测和数据记录

·     支持内部和外部解调模式，包括PLL(锁相环)

·     双相解调

·     可切换矩形（X/Y）或极坐标（R/ θ）

·     内置PID控制器

典型参数

·     解调频率范围：1 mHz 到200 MHz

·     频率分辨率：3.55 μHz

·     相移精度：0.001°

·     输入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

·     输入阻抗：50 Ω / 1 MΩ

·     可调时间常数：40 ns 到0.6 s

·     滤波器滚降斜率：6 dB/12 dB 倍频程

·     输出增益范围：± 80 dB

·     本机振荡器输出频率高达200 MHz，可调振幅

·     超快数据采集：快照模式高达500 MS/s，连续采集高达1MS/s

除了锁相放大器，Moku:Lab还免费集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、激光锁频/稳频、PID控制器、波特分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器功能于一台设备。凭借功能强大的iPad APP、LabVIEW、Python、MATLAB等软件，您随时可以在iPad平板或PC电脑端随意的控制和使用这12个专业测量仪器。

【重磅发布】Moku 3.0版本升级！Moku:Lab新增支持云编译、多仪器并行

Liquid Instruments 推出Moku 3.0 版本重要升级。此次更新将shou次对Moku全线三款产品同时升级，尤其很多客户期待已久的Moku:Lab的固件升级。通过此次升级，Moku三款设备整合到同一个应用程序进行操控，不仅提高了用户体验和代码可移植性的一致性，并且确保更高的开发效率，加快未来功能增强的速度。Moku 3.0版本Moku:Go新增支持相位表功能，为所有Moku:Pro仪器提供了桌面支持，并对我们shou款发布设备Moku:Lab进行了许多重大升级，使得Moku产品线具有多仪器和定制功能。通过软件定义仪器改进多个现有仪器的功能，进一步拓展闭环控制系统、精密光谱学、显微镜等更广泛的应用案例，彰显了我们致力于为用户开发并不断改进的测试和测量解决方案的承诺。

Moku:Lab升级 

Moku版本3.0为Moku:Lab用户带来包括多仪器并行模式和Moku Cloud云编译等史wu前li的免费升级，以及为所有仪器提供了Windows、macOS和iPadOS支持，并升级了API支持。下面，我们为您整理了更多关于此次Moku:Lab的升级亮点。

多仪器并行模式和Moku云编译

Moku:Lab现在支持多仪器模式，同时使用两个仪器功能，并且可以通过Moku云编译快速编写和部署VHDL代码以实现自定义功能。这些功能对所有当前的Moku:Lab用户都可免费升级使用，只需简单的软件下载并不额外收取费用。

频率响应分析仪

频率响应分析仪提供了一系列增强功能，提升了其性能。比如zui大频率从120 MHz增加到200 MHz，扫描分辨率从512个点增加到8192个点，并且扫描过程可以在图形上显示进度。新的动态幅度功能可自动优化输出信号，以获得zui佳的测量动态范围。另外，添加了新的In/In1测量模式，还可以锁定频率轴，防止在长时间扫频过程中发生意外更改。我们还添加了输入饱和警告，除了以dBm为单位测量输入信号外，还可以以dBVpp和dBVrms为单位进行测量。数学通道现在支持复数方程，可以进行更多复杂的传递函数测量。

激光锁频/稳频器

激光锁频/稳频器更新了全新的框图操作界面，可以清晰地显示了扫描和调制信号路径。此外，我们还添加了新的锁定阶段功能，允许用户根据特定需求自定义锁定过程。低频相锁环（PLL）的锁定性能也得到了改进，相位值测量精度提升到六位数精度。zui低PLL频率降低到10 Hz，外部PLL信号现在可以进行zui高250倍的频率倍增或zui低分频至0.125倍用于解调。

锁相放大器

我们对锁相放大器低频PLL锁定性能也进行了改进，zui低PLL频率降低到10 Hz，并且可以将外部PLL信号现在可以进行zui高250倍的频率倍增或zui低分频至0.125倍用于解调。此外，相位值测量精度提升到六位数精度。

示波器

示波器现在还增加了深度存储模式，允许用户进行500 MSa/s的全采样率，每个通道保存高达4 MSa的数据。

相位表

现在，用户可以将相位表的频率偏移和幅度作为模拟电压信号输出，并且可以在输出信号中添加直流偏移。相位锁定正弦波输出现在可以进行zui高250倍的频率倍增或zui低0.125倍的频率除法，从而在解调中提供更大的灵活性。我们还改进了带宽范围从1 Hz到1 MHz。您还可以利用gao级相位包裹和解包功能，进一步提高测量精度和准确性。

频谱分析仪

频谱分析仪改进了本底噪声，为低电平信号提供更好的灵敏度。还包括了新的缩放选项，以对数Vrms和Vpp刻度进行更直观的信号分析。此外，还新增了五个新的窗口函数（Bartlett、Hamming、Nuttall、Gaussian、Kaiser），在进行信号处理和分析时提供更大的灵活性。

波形发生器

波形发生器现在增加噪声输出功能，可以向生成的信号中添加噪声。我们还添加了脉冲宽度调制（PWM）功能，并为相位值启用了六位数精度，从而实现更精确地创建波形。

API支持

API支持是很多Moku:Lab用户关注的另一个重要升级，升级后的API对所有仪器和编程环境带来了更好的支持，与其他Moku设备保持一致。请注意，Moku 3.0版本与1.9版本的API不兼容。您必须安装新的程序库，并更新所有代码以使用新的程序库。如果需要，您还可以降级到1.9版本（例如，如果无法将API脚本迁移到新的程序库中）。如果您在升级或降级软件版本遇到问题需要技术支持，请联系我们。

其他更新

用于在任意波形发生器中生成自定义波形以及在FIR滤波器构建器中生成自定义滤波器的方程编辑器，现在支持生成sinc和方波函数。数据记录期间创建的二进制LI文件现在可以自动转换为CSV、MATLAB或NumPy格式。

Moku:Pro 升级

现在 Moku:Pro 的 Windows 和 macOS 桌面应用程序中已经支持使用相位表功能。通过此更新，Moku:Pro的所有仪器现在都支持在PC上使用。您现在还可以将 PID 控制器添加到多仪器模式下的锁相放大器的输出通道中。我们还改进了多仪器模式下 PID 控制器和频率响应分析仪的仪器间数据分辨率。将频率响应分析仪的频率从300 MHz提高到500 MHz，以提供更高带宽应用的更高性能。

Moku:Go 升级

Moku:Go 新增支持相位表功能，此功能需要额外付费选购。用户仅需通过软件升级即可立即使用相位表功能。与 Moku:Pro 一样，我们还改进了多仪器模式下 PID 控制器和频率响应分析仪的仪器间数据分辨率。

免费升级您现有的仪器

对于您已经拥有的软件定义仪器，用户只需要通过简单的软件升级即可免费获取zui新的仪器功能。请通过 iPad 或 Windows 和 Mac 应用程序的下载zui新3.0版本软件连接Moku设备进行固件升级。

我们将致力于通过软件定义仪器，不断提升产品的性能，为用户提供优质的产品与体验，优化工作流程和加速研究的完善解决方案。

Moku zui请访问我们的官网

https://www.auniontech.com/three-level-333.html

上海昊量光电作为Liquid Instruments公司在中国大陆地区主要的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。

对于Moku zui新仪器功能有兴趣或者任何问题，欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。

更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。

Moku:Lab多功能测量仪之200MHz锁相放大器可用于探测被噪声掩埋的微弱电压信号。直观的用户界面允许用户使用整个框图中的探针点（probe points）精确配置系统并监控其性能。

主要特色
1、数字信号处理的方框图视图，内置探针点（probe points），用于信号的监测。
2、解调信号的频率高达200 MHz
3、测量被噪声淹没的信号，动态储备超过80 dB。

Moku:Lab多功能测量仪之200MHz锁相放大器视频展示

Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器的应用案例

Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器的规格参数

Signal channel

Input characteristics

Demodulator

Reference oscillator

Reference and Auxiliary oscillators

2+24 dB and +48 dB input gains are applied digitally and can be used to maximise the Lock-In Amplifier’s dynamic range for weak input signals.

Signal output

Output routing

Signal output

Saving Data

Saving data

3Only one output may have a PID controller routing at a time

Moku:Lab多功能测量仪之相位表可用于测量1kHz到200MHz之间输入信号的相位，精度为1μcycle（1μ周期）。

主要特色
1、测量两个输入信号之间的相位差，测量精度高于1μcycle（1μ周期）
2、在测量相位、频率和幅值之间进行选择
3、以高达125 kSa/s的速率采集数据
4、跟踪频率和相位干扰，Z高可达10kHz

Moku:Lab多功能测量仪之相位表的应用案例

Moku:Lab多功能测量仪之相位表的规格参数

Inputs

Input characteristics

Measurement

Measurement characteristics

7Frequency and phase measurement precision is limited by sampling jitter at low Fourier frequencies.

Saving Data

Saving data

Synthesizer

Synthesizer8

8Where not stated, Phasemeter Synthesizer specifications match those of the Moku:Waveform Generator instrument.

【应用案例】Moku:Pro简化双色受激拉曼散射显微镜实验

应用案例

Moku:Pro简化双色受激拉曼散射显微镜实验

介绍

在华盛顿大学, 研究人员致力于双色受激拉曼散射(SRS)显微镜技术研究开发化学成像工具，用于早期癌症检测和了解神经退行性疾病进展。实验装置通常包括多个复杂的高性能仪器, 用于实时双色 SRS 成像或两个相距较远的拉曼跃迁的同步成像。现在，他们正在使用Moku:Pro锁相放大器和多仪器并行模式，仅通过Moku:Pro一台紧凑的多通道设备进行多种实验并捕捉低强度的SRS信号。

面临挑战

SRS是一种相干拉曼散射过程，可提供具有光谱和空间信息的化学成像。在典型的设置中,它使用两个同步脉冲激光器, 即泵浦和斯托克斯(图1), 以相干地激发分子的振动。为了从嘈杂的背景中捕捉到非常小的SRS信号, 高频调制和相敏检测方法是必要的。

图1: 检测到由于SRS导致的Stokes到泵浦光束的振幅调制转移。所展示的泵浦光束的重复率为80MHz，Stokes光束具有相同的80MHz重复率，但也在20MHz处调制。通过这个检测方案，Δpump被提取出来。

为了进行实时双色SRS成像实验, 研究人员必须运用正交调制并检测同相和正交信号分量。“在大多数SRS光谱实验中, 由于激光器总带宽的限制, 光谱范围被限制在300 cm-1左右,” 华盛顿大学化学助理教授Dan Fu博士说到。“避免这种情况的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长, 但这很慢, 而且对于活细胞成像等对时间敏感的实验来说往往是不够的。”

为了克服这些限制, 华盛顿大学的科研人员使用第三束激光束来同时对两个间隔很宽的光谱区域进行成像, 例如一个在指纹区域大小(比如. ～1600 cm-1应对酰胺振动)和一个在C-H区域大小(比如. ～2900 cm-1应对蛋白质), 但这会增加实验设置的占用空间和复杂性。

图2：用Moku:Pro多仪器并行模式设置在间隔较远的拉曼转换处拍摄的HeLa细胞SRS图像。

解决方案

在采用调制传输检测方案的 SRS 显微镜实验中，高质量的锁相放大器是关键的硬件组件。Moku:Pro 的锁相放大器为 SRS 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且可靠的解决方案，直观的用户界面为提取低强度 SRS 信号提供强大的操控性和灵活性。

图3: Moku:Pro 锁相放大器的通道配置

Moku:Pro的锁相放大器可以配置相位偏置,低通滤波器和设定增益用于优化实验。内置的探测点功能可以在调整设置时用于实时监测。X和Y输出均可用于双通道成像。

对于三路激光器的情况下, Moku:Pro 多仪器并行模式可以配置两个锁相放大器, 将系统简化为一个设备而不需要任何妥协。这使得研究人员可以同时拍摄两张波数差较大的 SRS 图像, 利用一个 Moku:Pro 来处理两个光电二极管检测器信号。

图4: Moku:Pro 多仪器并行模式配置多通道锁相放大器

图 4 演示了多仪器并行模式配置使用两个锁相放大器用于同步 SRS 显微镜实验。对于插槽 1 中的锁相放大器, 输入 In 1 是第1个光电二极管的检测信号, In 2 是参考信号, 输出Out 1是发送到外部数据采集卡的信号, Out 3被弃置。对于插槽2中的锁相放大器, In 3是第二个光电二极管的检测信号, In 2再次作为参考信号, Out 2是发送到外部数据采集卡的信号, Out 4被弃置。每个检测到的信号(Out 1 和 Out 2)在被发送到数据采集卡之前通过调整它们各自的相位偏置来zui大化。本例中的插槽 3 和 4 配置了示波器, 但还可以配置为Moku:Pro中的任意仪器功能。

图5：Moku:Pro在多仪器模式下，配置了两个锁相放大器，有三个输入通道和两个输出通道在使用。

结果

Moku:Pro的锁相放大器为众多SRS显微镜实验提供了出色的解决方案。“用户界面可以对提取低强度SRS信号进行直观且强大的控制,仅需要使用Moku:Pro的多仪器并行模式就能在紧凑的系统上进行复杂的成像实验,” Fu博士说道。从典型的单通道SRS成像到双通道成像, 甚至是多仪器成像, 华盛顿大学的科研人员可以简化他们的实验设置而不用作出妥协。

问题和反馈

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关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

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水肥一体化灌溉系统也叫智能水肥一体化控制系统、智能水肥一体化系统、水肥一体化智能监控系统，主要由系统云平台、墒情数据采集终端、视频监控、施肥机、过滤系统、阀门控制器、电磁阀、田间管路组成，可以帮助生产者方便快捷地实现自动的水肥一体化管理。

水肥一体化构架图：

水肥一体化灌溉系统功能：

1、用水量控制管理

    实现两级用水计量，通过出口流量监测作为本区域内用水总量计量，通过每个支管压力传感采集数据实时计算各支管的轮灌水量，与阀门自动控制功能结合，实现每一个阀门控制单元的用水量统计。同时水泵引入流量控制，当超过用水总量时将通过远程控制，限制区域用水。 

2、运行状态实时监控 

    通过水位和视频监控能够实时监测滴灌系统水源状况，及时发布缺水预警；通过水泵电流和电压监测、出水口压力和流量监测、管网分干管流量和压力监测，能够及时发现滴灌系统爆管、漏水、低压运行等不合理灌溉事件，及时通知系统维护人员，保障滴灌系统平稳行。

3、阀门自动控制功能 

    通过对农田土壤墒情信息、气象信息和作物长势信息（叶温、叶面湿度、果实膨大、茎杆微变化传感器采集信息）的实时监测，综合智能判断是否需要灌溉，采用无线或有线技术，实现阀门的遥控启闭和定时轮灌启闭。根据采集到的信息，结合当地作物的需水和灌溉轮灌情况制定自动开启水泵、阀门，实现无人职守自动灌溉，分片控制，预防人为误操作。

4、系统硬件

实时监测环境数据

土壤类传感器

5、水肥一体化基础装置

其他水肥基础装置

6、软件平台功能

    包括系统维护、状态监测和系统运行的现场管理；实现区域用水量计量管理、旱情和灌溉预报专家决策、信息发布等功能的远程决策管理；对灌溉设施设备生成定期维护计划，记录维护情况，实现灌溉工程的精细化维护运行管理。能够充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提GX益，通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量，将使灌溉更加科学、方便，提高管理水平。

水肥任务

可根据传感器预设值来设定人物执行时间和执行量，使之定量灌溉

实时查看环境数据

实时查看视频监控

7、移动终端APP

    方便管理人员通过手机等移动终端设备随时随地查看系统信息，远程查看田间墒情、环境气象、作物本体数据，远程设置水肥智能装备。

水肥一体化灌溉系统亮点：

(1)节水节肥——大幅提升水肥利用率，节水节肥50%-70%；

(2)省时省力——实时在线远程监测，迅速大面积灌溉和施肥；

(3)智能控制——根据土壤水分等相关参数自动反馈控制灌溉；

(4)提高产量——投运该系统可增产30~50%。

水肥一体化灌溉系统应用范围：

农业、土肥、植保、经作、园林等农技推广部门；

农业科技示范区、干旱种植区、农场等大型农业生产加工企业。

方案供应商介绍：浙江托普云农科技股份有限公司是一家致力于ZG农业信息化发展的国家高新技术企业，创新地将物联网、云计算等信息技术运用在了农业领域，助推我国农业现代化发展。目前已构建起涵盖农业、气象、水利、农产品检测、农产品质量追溯等领域的先进农业信息化产品体系及农业物联网标准解决方案，是国内SJ集技术研发、生产销售、实施应用于一体的行业标杆企业单位。

2019年9月19-22日，在ZG郑州 郑州大学主校区举办ZG物理学会（CPS）2019秋季学术会议。

ZG物理学会秋季学术会议 （CPS Fall Meeting）以下简称秋季会议，是由ZG物理学会主办的年度学术会议，始于1999年，会议的目的是增进国内物理学界的学术交流，提高学术水平，促进物理学科的全面发展和人才培养。经过会议组织委员会和ZG物理学界的共同努力，秋季会议已由Z初200人规模逐步发展到目前的3000多人规模，已成为ZG物理学界规模Z大、综合性Z强的品牌学术盛会。

Liquid Instruments携带Moku:Lab多功能测量仪现场演示和介绍实验室信号测量功能，展位号为A19，欢迎各位老师和同学莅临沟通交流。

智能水肥一体化控制系统是一套可以帮助生产者方便快捷地实现自动的水肥一体化管理的农业解决方案，该方案可以实现节水、节肥，改善土壤环境，提高作物品质，目前主要广泛应用于大田、温室、果园等种植灌溉作业。

水肥一体化构架图：

智能水肥一体化控制系统功能：

1、用水量控制管理

    实现两级用水计量，通过出口流量监测作为本区域内用水总量计量，通过每个支管压力传感采集数据实时计算各支管的轮灌水量，与阀门自动控制功能结合，实现每一个阀门控制单元的用水量统计。同时水泵引入流量控制，当超过用水总量时将通过远程控制，限制区域用水。 

2、运行状态实时监控 

    通过水位和视频监控能够实时监测滴灌系统水源状况，及时发布缺水预警；通过水泵电流和电压监测、出水口压力和流量监测、管网分干管流量和压力监测，能够及时发现滴灌系统爆管、漏水、低压运行等不合理灌溉事件，及时通知系统维护人员，保障滴灌系统平稳行。

3、阀门自动控制功能 

    通过对农田土壤墒情信息、气象信息和作物长势信息（叶温、叶面湿度、果实膨大、茎杆微变化传感器采集信息）的实时监测，综合智能判断是否需要灌溉，采用无线或有线技术，实现阀门的遥控启闭和定时轮灌启闭。根据采集到的信息，结合当地作物的需水和灌溉轮灌情况制定自动开启水泵、阀门，实现无人职守自动灌溉，分片控制，预防人为误操作。

4、系统硬件

实时监测环境数据

土壤类传感器

5、水肥一体化基础装置

其他水肥基础装置

6、软件平台功能

    包括系统维护、状态监测和系统运行的现场管理；实现区域用水量计量管理、旱情和灌溉预报专家决策、信息发布等功能的远程决策管理；对灌溉设施设备生成定期维护计划，记录维护情况，实现灌溉工程的精细化维护运行管理。能够充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提GX益，通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量，将使灌溉更加科学、方便，提高管理水平。

水肥任务

可根据传感器预设值来设定人物执行时间和执行量，使之定量灌溉

实时查看环境数据

实时查看视频监控

7、移动终端APP

    方便管理人员通过手机等移动终端设备随时随地查看系统信息，远程查看田间墒情、环境气象、作物本体数据，远程设置水肥智能装备。

托普智能水肥一体化控制系统亮点：

(1)节水节肥——大幅提升水肥利用率，节水节肥50%-70%；

(2)省时省力——实时在线远程监测，迅速大面积灌溉和施肥；

(3)智能控制——根据土壤水分等相关参数自动反馈控制灌溉；

(4)提高产量——投运该系统可增产30~50%。

智能水肥一体化控制系统应用范围：

农业、土肥、植保、经作、园林等农技推广部门；

农业科技示范区、干旱种植区、农场等大型农业生产加工企业。

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营销ZX地址：杭州市拱墅区祥园路ZG（杭州)智慧信息产业园3号楼11-12楼

生产基地：杭州市余杭区七贤桥大陆工业园经二路

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【新品发布】Moku:Go 仪器套件新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器功能

Liquid Instruments由澳大利亚国立大学物理系教授Daniel Shaddock创立，研发团队成员由澳国立、NASA- JPL、引力波探测科研工作人员组成，致力于简化实验室工作流程来创造更直观、灵活流畅的实验室体验。

Moku:Lab多功能测量仪基于Xilinx FPGA芯片开发，通过免费的APP软件可对硬件上集成的12种不同测量功能的仪器的设置进行随意配置。Moku:Lab多功能测量仪采用可重新配置的硬件设计并结合软件应用的方式，来代替传统的测试测量仪器。可视化iPad APP操作软件允许您通过点击的方式就可以在不同的测量仪器中随意切换，取代了传统的多个测量仪器以及复杂的测量过程，极大地提升了测量的灵活性和流畅性。

Moku:Lab多功能测量仪具备无线网络连接技术，允许用户可以随时随地，甚至可以在办公室或者家里通过无线网络利用手里的移动设备直接控制实验仪器、监控实验测量过程及导出数据。

凭借zhuo越的性能、顺畅灵活的测量及全面的技术支持互动服务，Moku:Lab多功能测量仪已经在20多个国家的高校和科研机构得到应用，并同时将先进的仪器技术传播到大学本科和研究生的实验教学中。下图是澳大利亚国立大学ANU工程学院实验室采用Moku:Lab多功能测量仪进行实验教学的一瞥。

更多Moku:Lab多功能测量仪的详细介绍和应用，我们期待与您的互动交流。