Studio di un sistema elettromeccanico ad aggancio di fase per un laser in mode-locking

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA Studio di un sistema elettromeccanico ad aggancio di fase per un laser in mode-locking Relatore: prof. Carla Vacchi Correlatore: ing. Daniele Scarpa Sosio Marco

2. OBBIETTIVO DELLO STUDIO • Analizzare la possibilità di realizzare un aggancio fra la forma d’onda di un laser impulsato e un riferimento RF • Analizzare le modalità di realizzazione dell’aggancio Modellizzazione Spice

3. PLL PRINCIPIO Permette di generare la corrispondenza in frequenza e fase fra una forma d’onda di riferimento e una forma d’onda generata all’interno del sistema. Si può caratterizzare come un filtro passa banda sulla portante del riferimento

4. PLL SCHEMA A BLOCCHI Demodulatore di fase RIFERIMENTO DF FILTRO D’ANELLO f(t) VCO

5. PLL ANALISI LINEARE nel dominio di Laplace: da cui:

6. PLL CAMPO DI CATTURA Assumendo: { si ottiene:

7. SISTEMA ELETTROMECCANICO MIXER SORGENTE RF FILTRO D’ANELLO CAVITA’ LASER CONTROLLORE DEL PIEZOELETTRICO VCO PIEZOELETTRICO

8. CAVITÀ LASER SCHEMA DI MODULAZIONE L f L + ΔL f - Δf

9. SISTEMA ELETTROMECCANICO MIXER SORGENTE RF FILTRO D’ANELLO CAVITA’ LASER CONTROLLORE DEL PIEZOELETTRICO VCO PIEZOELETTRICO

10. CAVITÀ LASER SCHEMA • Cavità laser Specchio ad alta riflettività Mezzo attivo drogato neodimio Assorbitore saturabile Fascio laser in uscita Specchio convergente

11. CAVITÀ LASER

12. SISTEMA ELETTROMECCANICO STRUMENTI UTILIZZATI • Sorgente RF E4438C Agilent • Mixer IRM0208LC2A Miteq Uscite I e Q

13. SISTEMA ELETTROMECCANICO STRUMENTI UTILIZZATI • Controllore del piezoelettrico MDT694A Thorlabs • Piezoelettrico NF2AP50 Thorlabs

14. SISTEMA ELETTROMECCANICO MISURA SUL CONTROLLORE Risposta in frequenza del controllore del piezoelettrico: • Polo dominante: • Slew rate

15. SISTEMA ELETTROMECCANICO FILTRO D’ANELLO FOTODIODO

16. IPOTESI DI AGGANCIO IDEALE • Guadagno d’anello e stabilità mixer SORGENTE RF FILTRO D’ANELLO CAVITA’ LASER CONTROLLORE DEL PIEZOELETTRICO VCO PIEZO ELETTRICO

17. IPOTESI DI AGGANCIO IDEALE AMPIEZZA DELLA TENSIONE IN USCITA AL MIXER CONTROLLORE DEL PIEZO INTEGRATORE FILTRO D’ANELLO GUADAGNO DEL VCO

18. CONDIZIONI REALI PROTOTIPO SORGENTE LASER Oscillatore ottico: segnale impulsato a 4.7 GHz modulazione FM spuria: A_FM = 20 kHz f_FM = 100 Hz

19. IPOTESI DI AGGANCIO • Relazione fondamentale FM

20. SIMULINK SUPPORTO DI SIMULAZIONE

21. SIMULINK CAMPO DI CATTURA Simulazione in assenza di FM

22. SIMULINK FM In presenza di FM f_FM = 10 kHz A_FM = 5 kHz

23. SIMULINK TRANSITORIO DI AGGANCIO Tensione Tempo

24. SOLUZIONI CIRCUITALI STUDIO FILTRO D’ANELLO

25. SOLUZIONI CIRCUITALI STUDIO Condizione vincolante: Necessità di assicurare la stabilità d’anello:

26. SOLUZIONI CIRCUITALIREALIZZAZIONE Guadagno d’anello:

27. SOLUZIONI CIRCUITALIREALIZZAZIONE Schema elettrico della rete realizzata su basetta:

28. SOLUZIONI CIRCUITALISPERIMENTAZIONE • L’introduzione pratica non conduce ai risultati desiderati • Le forme d’onda si sovrappongono per istanti non periodici • Il movimento del carrello del piezo si accompagna a un forte disturbo sonoro • Aumentare ilguadagno d’anello peggiora il funzionamento della cavità laser

29. SIMULAZIONE SITUAZIONE SPERIMENTALE Tentativo di ricostruire in simulazione la forma d’onda ottenuta durante le prove pratiche di aggancio A_FM=180 kHz f_FM=20 kHz Eliminando la periodicità con una variazione casuale

30. CONCLUSIONE RISULTATI SPERIMENTALI • L’anello realizzato non presenta le potenzialità per inseguire la FM presente sulla cavità. • Il carrello piezoelettrico non risponde bene a un guadagno eccessivo.

31. CONCLUSIONE PROPOSTA DI SPECIFICHE Ponendo i limiti di guadagno: A_FM 2 kHz (20 kHz) f_FM < 1 kHz