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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

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。

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

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：Pro/Lab/Go有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、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网站了解更多的产品信息，或直接咨询。

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

【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。

创新发布｜Moku:Pro云编译实现用户自定义仪器测量功能！

Liquid instruments推出创新功能云编译, 用户可通过此功能对Moku:Pro的FPGA进行编程，编写自己的VHDL代码在Moku:Pro 平台

上实现自定义数字信号处理。与基于CPU和特定应用集成电路（ASIC）相比，FPGA提供了接近ASIC水平的延迟和性能，并具备可编程性。通常FPGA编程需要大量的专业知识和技术，耗费成本和精力。但是通过Moku:Pro预先配置好的输入、输出及控制寄存器，用户无需耗费精力为ADC编写驱动程序、配置接口和维护额外硬件。

Liquid instruments提供基于云端的编译器可直接从浏览器访问，允许用户快速灵活地开发、编译和部署自定义算法到Moku:Pro，无需下载任何软件。云编译目前支持VHDL代码（即将支持Verilog）。由于HDL编译入门相对较难，用户也可以通过MATLAB或Simulink 用HDL Coder生成云编译兼容的VHDL代码，从而降低应用设计的门槛。

Moku:Pro云编译是为需要更多额外功能和定制需求的专业用户开发的，用户可以自己设计出du一无二的测试测量设备。云编译可以结合Moku:Pro“多仪器模式”模式使用，将定制代码与Moku:Pro的任何专业级仪器一起工作实现高速无损信号传输，极大地增强了Moku:Pro的灵活性，满足了对具有研究级硬件的高性能实验室仪器的需求。将来，用户还可以将自己编写的代码上传到云端，分享给同事在Moku:Pro上运行。

更多内容

Moku:Pro 产品介绍

如想进一步了解Moku:Pro云编译或相关产品详情，

请联系我们客户支持团队：

昊 量 官 方 微 信 客 服

昊量光电邀您参加2022年01月19日锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍网络研讨会。

由Liquid Instruments研发的Moku系列多功能综合测量仪器在量子光学、超快光学、冷原子、材料科学和纳米技术等领域都有着广泛

的应用，尤其是他的锁相放大器、PID控制器和相位表、激光器稳频功能，单一设备满足实验室多种测量、控制应用需求。在本次网络

研讨会中，您将了解到锁相放大器的基本原理及应用，并提供对应的信号的检测方案介绍。

主办方

上海昊量光电设备有限公司，Liquid Instruments

会议主题

锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍

会议内容

1. 锁相放大器的基本原理

2. 锁相放大器在光学领域的重要应用方向-测量信号振幅（强度）以及相位

3. 如何设置锁相放大器的调制频率和时间常数

4. 应用介绍：超快光谱和锁相环/差频激光锁频

5. 如何通过锁相环来解决锁相放大器测相位时的局限性

6. 问题环节

主讲嘉宾

应用工程师：Fengyuan (Max) Deng, Ph.D.

简介：普渡大学化学博士学位，主要研究非线性光学显微成像方向。

应用工程师：Nandi Wuu, Ph.D.

简介：澳洲国立大学工程博士学位，主要研究钙钛矿太阳能电池。

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。

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。

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：Pro/Lab/Go的激光稳频一体化解决方案有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。

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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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