相位仪原理

中国科学技术大学郭光灿院士团队实现了一种基于谐波辅助的光学相位放大测量技术。该团队史保森教授、周志远副教授等人提出了一种基于谐波辅助实现光学相位放大的基本原理，并且利用级联三波混频过程初步实现了干涉仪中相对相位的4倍放大。相关研究成果以“Harmonics-assisted optical phase amplifier”为题于2022年10月27日在线发表在著名期刊《光科学与应用》上[Light: Sci. & Appl. 11, 312 (2022)]。 　　干涉是一种基本的光学现象，在近代物理的发展过程中发挥着举足轻重轻重的作用。无论是“以太”的验证、量子力学的构建以及引力波的探测都离不开干涉原理和技术。相位是波动光学和量子光学中一个非常重要的参数，干涉仪中光程差变化与相对相位变化一一对应。在光学精密测量中，几乎所有物理量(如位置、角度、电磁场等)的测量都可以转化为对干涉仪中相对位相变化(或者光程差变化)的测量，因此如何精确测量干涉仪的相位变化是光学科学工作者孜孜以求的目标。一个朴素的想法是通过干涉仪中相对相位放大来提升相位测量分辨率。在量子光学中，通过在干涉仪中注入多光子NOON态(粒子数与路径纠缠态)可以实现相对相位的N倍放大，然而多光子NOON态非常难制备(目前最大的N在10左右)，并且随着光子数的增加测量累积时间指数上升，无法实时测量。因此，寻找新的光学相位放大原理是一个非常重要的科学问题。 　　史保森教授、周志远副教授研究组长期从事基于非线性效应的光学干涉现象研究。 在2014年，研究组在轨道角动量叠加态的非线性倍频研究中发现不仅轨道角动量拓扑荷加倍，而且输入轨道角动量叠加态的相对相位也会加倍[Opt. Express 22, 20298(2014)]。受此工作的启发，针对以下问题开展研究：在非线性过程中是否可以实现基于其它自由度干涉的相位加倍？这种加倍过程是否可以进行级联？研究结果对这两个问题的回答是肯定的。以三波混频中的倍频为例，在微观过程中，湮灭两个基频光子会产生一个倍频光子，基频光子所携带的相位信息被相干地传递到倍频光子中，因而导致了相位的加倍放大。将该过程进行级联和循环，原则上可以实现任意整数倍的相位放大。 　　基于上述原理，实验上将1560nm的脉冲激光输入一个偏振干涉仪，两个偏振模式的相位通过一个压电陶瓷控制，其输出端经过了两次偏振无关的倍频过程：第一次1560nm到780nm偏振无关的倍频通过在Sagnac干涉仪中放置一块PPKTP晶体实现，第二次780nm到390nm偏振无关倍频则通过两块正交的BBO晶体实现。通过在压电陶瓷上加载相同的驱动电压信号，我们观测到780nm和390nm光的干涉周期分别为1560nm光干涉的2倍和4倍，验证了我们提出的相位放大原理的可行性(如图1所示)。为了证明该放大原理不依赖于观测光的波长，团队设计了倍频与差频的级联过程(如图2所示)，实验观测到在相同的激光波长下干涉曲线同样具有加倍的现象，这就为后续通过循环过程实现更高倍数的相位放大奠定基础。图1.级联四倍放大实验原理图。(a)相位放大实验装置，(b)相位放大实验结果，a-c分别对应基频光、二次谐波和四次谐波的干涉测量结果。图2.频率无关的相位放大实验原理图。(a)频率无关的相位放大实验装置，(b)实验结果，红色曲线为干涉仪直接 出射的基频光干涉结果，蓝色曲线为经过相位放大但光学频率没有改变的干涉结果。 　　该工作揭示了一种新型的光学相位放大机理并且在实验上得到了初步验证。下一步可利用强度更高的激光以及利用级联和循环结构实现更高放大倍数的演示，与此同时还将探索基于该放大原理在光学精密测量中的相关应用。该工作的共同第一作者是博士生李武振和已毕业的杨琛博士，共同通信作者是周志远副教授和史保森教授。 　　这项工作得到国家基金委、科技部以及中国科学技术大学的支持。

使用Moku锁相放大器和相位表进行开环和闭环相位检测的选择指南高精确度及高灵敏度相位检测在众多测试测量场景都至关重要。例如，测量电流和电压之间的相移可以显示设备或元件的复阻抗。可以通过光学干涉仪的控制臂和测量臂之间的相移来测量极小的位移。Liquid Instruments的Moku设备可以提供两种检测射频信号相位的仪器：锁相放大器和数字相位测量仪。在本应用说明中，我们将介绍这两个仪器的工作原理，并为不同的应用场景提供仪器选择指南。介绍锁相放大器和相位表（数字相位测量仪）是两种常用于从振荡信号中获取相位信息的仪器。锁相放大器可以被视为开环相位检测器。相位是由本地振荡器、混频器和低通滤波器直接计算出来的。相比而言，相位表则采用数字锁相环（PLL）作为其相位检测器，使用一个反馈信号来实时调节本地振荡器的频率。这可以被视为一种闭环相位检测方法。在我们介绍这两种仪器之前，我们先来总结一下Moku:Pro锁相放大器和相位表（用于相位检测）的区别。请注意，本表中的参数规格是基于Moku:Pro的。工作原理锁相放大器原理如图1所示，锁相放大器有三个关键组成部分：一个本地振荡器、一个混频器和一个低通滤波器。图1: 锁相放大器的简化原理图输入信号Vin和本地振荡器VLO可以用正弦和余弦函数来描述。A1和A2代表振荡器的振幅。ωin和ωLO代表输入和本地振荡器的频率。∆ϕ 表示输入信号和本地振荡器之间的相位角差。混频器的输出Vmixer是输入和本地振荡器的产生的。应用三角函数示意假设 ωLO ≅ ωin= ω, Vmixer可写为低通滤波器过滤掉了高频率分量sin(2×2ωt+∆j)。假设输入信号和本地振荡器的振幅是固定的，输出信号Vout可以表示为在此有几个需要注意的地方：单相锁相放大器的输出与sin(∆ϕ)成正比，而不是与成正比。这大大限制了相位检测的线性动态范围，因为正弦函数是一个周期性的函数，它只在一个非常小的范围内提供（近乎）线性响应。另外，任何振幅的波动都可能引起一些系统误差。Liquid Instruments的Moku锁相放大器提供了双相解调的选项，可有效地区分了来自振幅和相位对输出的影响（可以通过此链接更深入了解双相位解调）但线性动态范围仍然限制在2π以内。另一方面，锁相放大器的数字信号处理（DSP）比相位表简单得多。这使锁相放大器能够以更高的速率处理数据，从而提供更宽的解调带宽。用户也可从外部设备输入一个本地振荡器作为参考，以直接测量两个振荡器之间的相对相位差。锁相放大器的开环特性确保仪器能够提供有效即时的响应，不容易受信号突变或损失造成的影响。因此，用户可使用锁相放大器测量接近或处于输入本底噪声的信号。相位表/PLL 原理相位表的核心相位检测单元是一个锁相环（PLL）。相位表的基本测量原理是将一个内部振荡器锁定在输入信号上，然后从内部振荡器的已知相位推断出输入信号的相位。图2显示了PLL的运作原理。锁相环的运作原理与锁相放大器非常相似，但有两个重要的区别：1）本地振荡器被一个压控振荡器（VCO）所取代；2）低通滤波器的输出反馈形成一个闭环。 图2: 锁相环的简化原理图VCO的输出 VVCO可以表述为 ωset是VCO的设定/中心频率。K是VCO的灵敏度 VCO, VVCOinput 是VCO的输入。AVCO是VCO的振幅。K和AVCO在正常工作时都保持不变。在不深入了解闭环控制理论的情况下，这种配置试图保持输入信号Vin和VCO之间的瞬时频率差为零。因此：由于ωset和K都是基于已知的仪器设置，输入的频率可以根据VVCOinput来计算。同时，ωset在时间t的累积相位可以表示为输入信号的累积相位可以用来近似表示。这里我们把K∙Vvcoinput项定义为ωdiff。因此，输入信号和参考信号（振荡器在设定的频率下）之间的累积相位差可以通过测算环路的频率差/误差信号积分获取。这种方法为相位检测提供了一个原生的相位解包支持，使输出与相位差呈线性关系。输入信号的瞬时频率也通过进行测量。此外，相位表有一个内置的二级振荡器来计算输入信号的振幅，类似于一个双相锁相放大器。除了来自环外积分器的相位，相位表的输出可以被设置为直接从数控振荡器（NCO；它可以被认为是数字的VCO）生成输入信号的正弦锁相副本，具有任意的振幅和可调相位。另一方面，输入和NCO之间的稳定锁定是PLL正常运行所必须的，不连续的输入可能会导致测量中断。由于这个原因，PLL在非常低的频率上保持稳定的锁定更具挑战性，相位表对比于锁相放大器在低载波频率边界更受限制，因此不建议用于测量接近输入本底噪声的信号。应用中考量因素和演示在本节中，我们将通过演示讨论在对Moku锁相放大器和相位表之间进行选择时的一些实际注意事项。在这个演示中，通过多仪器模式（MIM）（点此详细了解MIM）同时开启波形发生器、锁相放大器、相位表和示波器功能。一个10MHz的相位调制信号以单相和双相模式输入Moku:Pro的锁相放大器和相位表。相位检测的输出通过示波器进行记录。

p 　　 strong 来自Testa Analytical Solutions e.K的NanoBrook ZetaPALS是一种使用相位分析光散射方法的高度精确和易于使用的Zeta电位分析仪。 /strong /p p style=" text-align: center " strong img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/74322ba6-017d-419d-988b-a6b3f373457c.jpg" title=" Nanobrook ZetaPALS.jpg" width=" 500" height=" 347" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 500px height: 347px " / /strong /p p 　　基于相位分析光散射(PALS)原理，Nanobrook ZetaPALS被设计用于测量电泳迁移率。Testa analysis公司的Nanobrook ZetaPALS提供了一个优异的平台，用于测定盐浓度低于75毫摩尔离子强度水中的纳米颗粒和胶体的zeta电位。 /p p 　　这种创新性的仪器被设计用来消除其他zeta电位仪器固有的缺陷。利用PALS配置，NanoBrook ZetaPALS可被用来测量比传统的激光多普勒电泳系统低3个数量级的迁移率。NanoBrook ZetaPALS可以在几秒钟内测量完整的电泳迁移率分布。 /p p 　　Nanobrook ZetaPALS独特的单元配置消除了电渗效应，因此不需要固定水平、对齐或校准。运用低成本，一次性样品单元，不需要组装或维护，消除了样品交叉污染的可能性。 /p p 　　NanoBrook Zeta的软件很简单，但操作起来非常直观，同时为希望进行更复杂实验的科学家们提供了高级功能。 /p