# 参考腔扫描与激光稳频实验

工作台的“激光稳频实验”打开同一物理状态下的扫描、反馈及监测面板。该面板既可在无离子时做独立稳频训练，也会改变主工作台的有效冷却光失谐。

## 接线与信号

397 nm 激光器的内部取样输出接入稳频单元。稳频单元集成参考腔、透射探测器、反射探测与解调器、PI及频率执行器。CH3 为归一化透射探测电压（峰值1 V）；CH2为解调后有正负号的鉴频电压。现有预接线服务束连接稳频器、397 nm激光及示波器。移除或关闭这些仪器、或关闭397 nm出光，探测曲线中断；缓存不作当前有效读数。

面板波长计为稳频单元内置的独立监测通道，不另占光学台；其示值为相对参考腔的频率偏差。默认1 MHz显示分辨率、0.5 s采样保持、0.25 MHz确定性读数扰动均为虚拟教学参数，不代表厂家型号、绝对准确度或实际激光线宽。

## 学生操作

1. 关闭反馈，开启397 nm光源。点击“宽范围扫描”启动80 MHz峰峰、0.1 Hz三角扫频；时间倍率自动设为1×。
2. 调整扫描中心，使CH3透射峰及CH2中央零点位于扫描中段。保存至少一个完整周期的波形。
3. 缩小扫描范围，比较误差零点附近的斜率。根据实际读数调整中心，不由软件把反馈输出直接设到目标值。
4. 启用PI，关闭扫描，连续观察CH3、CH2、反馈修正和波长计读数。
5. 关闭PI，比较自由漂移；注入+20 MHz频率扰动后观察失锁，再通过中心粗调、扫描和反馈恢复。
6. 导出CSV并比较锁定前后相同时间窗的均值和标准差。说明有限采样、波长计分辨率及环内误差的限制。

扫描较快、时间倍率过高或峰宽过窄时，显示采样可能漏过峰顶；应减慢扫描和时间倍率。实时曲线按主工作台的模拟时间采样，暂停后参数改变只产生瞬时读数，不伪造时间轨迹。

## 模型与约定

单模强度透射采用 `T = 1 / [1 + (2δν/κ)²]`，κ为强度峰半高全宽；默认8 MHz仅为便于本科训练的教学腔参数。

解调后鉴频器近似为 `ε = G δν T`。默认零点斜率 `G=0.1 V/MHz`。透射为偶函数、误差信号为奇函数，中央零点与透射峰对应。此模型用于观察鉴频与反馈，不是完整PDH光场计算：未求调制边带、调制深度、解调相位、探测器频响、延迟及真实闭环稳定裕量。

实际激光频率偏差由自由漂移、扫描中心、三角扫描、反馈修正和确定性频率噪声共同产生。扫描中心、范围和速率均实际进入离子冷却频率。激光进入AOM后再按实际光路叠加频移；锁频参考点与原子冷却失谐不是同一个量。

PI在捕获区内按测得鉴频电压连续更新执行器修正速率，行程有限并使用积分抗饱和。无光时不积分；超捕获区时保持执行器，不把残余误差强行设为零。该有限速率教学控制器不代表某型号电子学。

独立波长计具有采样保持及独立读数扰动。波长计显示零不等于零线宽；环内误差变小不单独证明真实激光频率噪声已同等降低。稳定相对参考腔不等于绝对频率已校准。

## 原理来源

- [MOGLabs AN002 Pound–Drever–Hall Locking with the FSC](https://www.moglabs.com/support/appnotes/AN002-PDH-R2b.pdf)：扫描范围、扫描偏置、鉴频零点与反馈操作。
- [LIGO PDH locking原理说明](https://www.agpohl.physik.uni-mainz.de/files/2023/06/AmJPhys69_79_2001_Black_Intro_PDH.pdf)：反射场相位调制与相干解调产生有符号鉴频信号。
- [Black An introduction to Pound–Drever–Hall laser frequency stabilization](https://ew.lens.unifi.it/notes/Pound-Drever-Hall.pdf)：完整PDH方法及环内/环外误差的物理区别。

示波器CH1保留RF差分探头；参考腔透射从稳频器TRANS MON独立接到CH3，鉴频误差从ERROR MON接CH2。预接线与端口模型分别检查这两条监测支路。

探测器电压为归一化教学信号；非零取样时默认满透射1 V，噪声参数为声明设置，未按实际探测器跨阻、光功率和带宽标定。激光关闭、零功率或探测支路断开不能驱动有效反馈，也不能作为有效测量。