2026-07-20
文章来源：富泰科技
在量子光学与原子物理实验中，窄线宽、可连续调谐的紫外激光系统是实现原子里德堡激发、量子纠缠制备以及精密测量等前沿研究的关键工具。然而，如何将319 nm紫外单频激光系统稳定地锁定在参考频率上，长期以来依赖信号发生器、锁相放大器、PID放大器、示波器等一整套分立设备——系统复杂、成本高昂、占用空间大。
山西大学光电研究所苏雯静、王军民等人在《量子光学学报》2025年第31卷第1期发表的论文《FPGA在319nm紫外单频激光系统锁频中的应用》（DOI:10.3788/JQO20253101.1001）中，提出了一种基于Red Pitaya FPGA板卡的解决方案。利用一张信用卡大小的STEMlab 125-14板卡，即可替代传统的分立仪器，完成频率扫描、调制解调、反馈控制及信号监测等全部功能。
传统的激光频率锁定系统需要将多个独立设备连接起来：信号发生器提供调制和扫描信号，锁相放大器完成解调，PID放大器实现反馈控制，示波器用于监测。每台设备不仅价格不菲，还占据大量实验台空间，操作流程也相当繁琐。
Red Pitaya STEMlab 125-14板卡基于Zynq-7010架构（Artix-7 FPGA + Cortex-A9双核处理器），配备双通道14位125 MSPS的ADC与DAC，通过开源PyRPL软件包即可实现完整的数字信号处理。论文中利用FPGA板卡内的IQ模块（调制解调）、ASG模块（任意信号生成）、PID模块（反馈控制）、Switch模块（扫描/锁定切换）和Scope模块（信号监测），将整个锁定系统集成到一块板卡上。
319 nm紫外激光的制备是一个级联过程：1560 nm光纤激光与1077 nm光纤激光经和频产生638 nm红光，再通过四镜环形倍频腔倍频产生319 nm紫外激光。论文展示了如何用Red Pitaya同时锁定这一复杂系统中的多个环节：
1560 nm基频光锁定：基于射频位相调制边带PDH技术，将1560 nm激光频率锁定到高精细度超稳光学腔上。ASG模块提供25 Hz三角波扫描，IQ模块施加30 MHz调制信号，锁定后10分钟内典型残余频率起伏约为±0.205 MHz。
1560 nm光纤激光器是整个系统的“源头”，其频率稳定性直接决定了最终紫外激光的品质。论文采用射频位相调制边带PDH（Pound-Drever-Hall）技术，将这台激光器的频率牢牢锁定在一个高精细度的超稳光学腔上
工作流程：Red Pitaya板卡内部的ASG（任意信号发生器）模块产生一个25 Hz、幅度0.3 V的三角波扫描电压，输出到压电陶瓷（PZT）上，驱动激光频率扫描超稳腔的共振峰。
核心解调：与此同时，板卡上的IQ（调制解调）模块产生一个30 MHz的正弦波，加载到电光位相调制器（EOPM）上，对激光进行相位调制以产生边带。
反馈锁定：当激光频率扫描过腔模时，从超稳腔反射的光信号携带了腔的色散信息。这个信号被光电探测器接收后，送入IQ模块与30 MHz的本地振荡信号进行混频解调。经过低通滤波，就得到了一个经典的、过零点的鉴频误差信号。
闭环控制：这个误差信号通过Switch模块切换到PID（比例-积分-微分）控制器。经过PID运算后，反馈信号从板卡的Output1端口输出，经过高压放大器放大后驱动PZT，实时调整激光器的腔长，从而将激光频率始终锁定在超稳腔的共振峰上。
成果：锁定后，10分钟内激光频率的典型残余起伏被抑制在±0.205 MHz以内，性能可与传统分立设备方案媲美。
638 nm和频光锁定：利用电子学边带锁频技术，将和频产生的638 nm激光锁定到超稳腔上，10分钟内残余频率起伏约为±0.175 MHz。
四镜环形倍频腔锁定：论文还系统比较了PDH技术与无调制HC技术对倍频腔的锁频效果。PDH技术锁定后10分钟内残余频率起伏约为±0.425 MHz，而HC技术约为±0.612 MHz——PDH方案不仅稳频效果更优，还能实现更宽范围的连续频率调谐。
一个值得关注的结论是：基于Red Pitaya FPGA的锁定方案，其频率稳定度与传统的分立设备方案“几乎一致”甚至“略优”。PDH锁定后±0.425 MHz的残余频率起伏、电子学边带锁定后±0.175 MHz的起伏，均达到了与高端商用控制器可比拟的水平。
而成本与空间方面的优势则极为显著——正如HighFinesse公司R&D负责人Dr. Florian Karlewski所言：“STEMLAB125-14让我们的实验室工作轻松太多，性价比和尺寸性能比都是无可匹敌的。”
不止于紫外激光
FPGA以其低能耗、高效率、高灵活性、高集成度、可编程性等优势，正在量子光学与原子物理领域获得越来越广泛的应用。论文指出，在此基础上还可以进一步用Red Pitaya配合AOM实现激光功率稳定，优化和频与倍频效率以获得更高功率的319 nm紫外激光，甚至更换性能更好的FPGA板卡来进一步提升锁定效果。
从“一桌子的仪器”到“一张板卡”，Red Pitaya正在重新定义激光锁频系统的边界——让精密实验变得更简单、更便宜、更触手可及。
*本文内容基于山西大学光电研究所苏雯静、卫怡荣、侯晓凯、王越伟、何军、王军民发表于《量子光学学报》2025年第31卷第1期的论文《FPGA在319nm紫外单频激光系统锁频中的应用》（DOI:10.3788/JQO20253101.1001）。*
