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還在為線寬測(cè)量發(fā)愁嗎？這里有你要的干貨！

線寬是激光器的重要參數(shù)。激光起振后，會(huì)有一個(gè)或多個(gè)縱模產(chǎn)生，每個(gè)縱模的頻率的范圍就是激光的線寬。注意每個(gè)縱模的頻率寬度和縱模之間的間隔是兩個(gè)不同的概念，縱模間隔是相鄰兩個(gè)縱模中心頻率的差值。激光線寬由諧振腔的品質(zhì)因數(shù)決定，腔的品質(zhì)因數(shù)越高，激光線寬就越窄。激光器的線寬有一個(gè)最小的下限，單色光的振幅、相位和頻率的任何漲落都會(huì)產(chǎn)生有限的線寬。除了乘機(jī)nd 引起的 “技術(shù)噪音"之外，還有其他三種基本噪音源，即便是W美的穩(wěn)定系統(tǒng)也不可能消除它們。這些噪音源在不同的程度上影響單模激光器的殘余線寬。噪音的第一種貢獻(xiàn)來自于激光上能級(jí) Ei 中被激發(fā)原子的自發(fā)輻射。導(dǎo)致譜線展寬的第二種噪音來源是振蕩模式中光子數(shù)目的統(tǒng)計(jì)漲落所引起的振幅漲落。殘余激光線寬的主要來源是相位漲落。此外，共振腔的共振峰半高寬 Δvc 必然會(huì)影響激光線寬， 因?yàn)樗鼪Q定了增益大于損耗的光譜間隔。對(duì)于半導(dǎo)體激光器其載流子濃度的變化還會(huì)產(chǎn)生光場(chǎng)附加相移從而引起馳豫振蕩導(dǎo)致線寬展寬。當(dāng)考慮了所有這些因素之后，可以得到激光線寬理論下限的著名的 Schwalow-Townes 關(guān)系：

一、普通線寬測(cè)量

激光線寬(FWHM)是一項(xiàng)重要指標(biāo)，如何對(duì)其測(cè)量是非常重要的。普通光譜或激光線寬可由光譜儀或干涉儀測(cè)量。光譜分析儀的分辨率可以滿足大于 0.02nm 的激光源線寬的測(cè)試，F-P 腔干涉儀的分辨率一般可以達(dá)到 10MHz。

二、窄線寬激光器線寬測(cè)量

窄線寬激光器的真實(shí)線寬是難以測(cè)量的，要檢測(cè)千赫茲量級(jí)的單頻激光器的線寬，目前常用拍頻的方式將光域的高頻信息轉(zhuǎn)換成射頻段（微波頻段）的低頻信息進(jìn)行測(cè)量。通過頻譜分析儀測(cè)量電頻譜的３ｄＢ帶寬，并根據(jù)譜形特征計(jì)算出光譜的線寬，即可以解決激光光譜在千赫茲量級(jí)的線寬測(cè)試分析問題。

對(duì)于窄線寬所有的測(cè)量方法均受限于有限的測(cè)量時(shí)間，及在這段時(shí)間內(nèi)激光光源的線寬受到的由不同噪音源引起的頻率抖動(dòng)的影響，如泵浦激光器噪聲、聲學(xué)噪聲、振動(dòng)噪聲等。以窄線寬激光器為例，測(cè)得的線寬可以看作是測(cè)量系統(tǒng)在積分時(shí)間內(nèi)的技術(shù)噪聲源造成的綜合的頻率抖動(dòng)。

常用的混頻法是光外差法。光外差法又分為雙光束外差法和單激光器的延時(shí)自外差法。單激光器的延時(shí)自外差法包括了延時(shí)零拍自外差法和延時(shí)非零拍自外差法，這兩種方法在近幾年的窄線寬光纖激光器線寬測(cè)試中應(yīng)用比較廣泛。利用不同的測(cè)試方法，國內(nèi)多家單位對(duì)激光器線寬測(cè)試進(jìn)行了仔細(xì)研究。

2.1光外差原理

光外差法與電子學(xué)外差檢測(cè)原理相似。兩束波長相近的光波耦合到光探測(cè)器中混頻從而產(chǎn)生中頻電信號(hào)，所產(chǎn)生的中頻電信號(hào)的頻率由兩束光的波長差決定，其幅度由兩束光的場(chǎng)矢量?jī)?nèi)積決定。

2.1.1雙激光器的雙光束外差法

光外差法發(fā)展的早期是雙激光器的雙光束外差法，其需要兩個(gè)激光器。一個(gè)激光器輸出功率和波長要十分穩(wěn)定，另一個(gè)激光器的波長在小范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并保證兩束激光的波長差在很小范圍內(nèi)穩(wěn)定、精密、連續(xù)可調(diào)，才能實(shí)現(xiàn)一定頻率范圍內(nèi)的掃頻測(cè)試。然而雙光束外差法需要兩個(gè)激光器，對(duì)激光器的頻率、幅度等穩(wěn)定性有十分苛刻的要求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜。

2.1.2單激光器的延時(shí)自外差法

延時(shí)自外差法的基本原理利用 Mach-Zehnder 型干涉儀把光的相位或頻率噪聲轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度噪聲。將一路入射光分成兩路，將其中一路光用光纖延時(shí)后，使兩路光相拍，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，在頻譜分析儀上得到相拍后的光電流譜線，從延時(shí)光電流譜線確定出激光器線寬。這種簡(jiǎn)單測(cè)量系統(tǒng)將工作在零拍狀態(tài)，即參考光和測(cè)試光頻率差為零，所得到的光電流譜線的中心頻率為零頻，也稱為延時(shí)零拍自外差法。其優(yōu)點(diǎn)是不使用聲光調(diào)制器，使得光路系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單，有利于儀器的小型化和集成化，節(jié)約了成本，同時(shí)也減小了傳輸光的功率損耗。但由于整個(gè)系統(tǒng)工作在零頻附近，較容易引入由于周邊環(huán)境引起的變動(dòng)，如空氣的微振動(dòng)和溫度的細(xì)微變化等因素帶來的影響，使得整個(gè)儀器對(duì)環(huán)境的要求比較高。為了消除外界環(huán)境噪聲對(duì)干涉儀的干擾，光纖馬赫曾德爾（Ｍ－Ｚ）干涉儀可以采用全保偏結(jié)構(gòu)，并置于一個(gè)聲屏蔽盒內(nèi)。為了更好地避免上述原因所引起的系統(tǒng)誤差，發(fā)展出了延時(shí)非零拍自外差法。

延時(shí)非零拍外差法是通過調(diào)制光源或光路，使信號(hào)光和參考光產(chǎn)生一定的頻率差，發(fā)生干涉后產(chǎn)生的拍頻位于非零頻的中頻附近，避免周邊環(huán)境對(duì)系統(tǒng)帶來的低頻干擾，從而降低系統(tǒng)誤差、提高測(cè)量精度。通常有兩種實(shí)現(xiàn)方案，其中之一調(diào)制光源，使得激光器的輸出光波長為兩個(gè)周期性變化的波長。調(diào)節(jié)方波的半周期恰好等于干涉儀引入的額外時(shí)延，兩束頻率差固定的光就保持同步，耦合到光探測(cè)器進(jìn)行拍頻，產(chǎn)生的拍頻信號(hào)的中心頻率可通過方波信號(hào)來調(diào)節(jié)。

調(diào)制光源由于是直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，系統(tǒng)比較復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)精確性及成本的要求都很高，因此人們提出了調(diào)制光路改變光頻的方案，這種方案在目前的各種測(cè)試中應(yīng)用廣泛。光源發(fā)出的光波經(jīng)２×１光耦合器１ 分成兩路，一路經(jīng)過光纖延遲線，另一路經(jīng)過聲光移頻器移頻，兩路光在２×１光耦合器２上進(jìn)行干涉疊加。且假設(shè)半導(dǎo)體激光器的光譜為洛倫茲線型時(shí),中頻信號(hào)的半幅全寬是原激光器線寬的兩倍,故可由觀測(cè)到的拍頻譜的f導(dǎo)出被測(cè)激光的線寬特性。

Toptica激光器延時(shí)非零拍外差法

綜上所述，現(xiàn)階段還沒有一個(gè)簡(jiǎn)單快捷的線寬測(cè)試方法，往往都需要用戶自己搭建系統(tǒng)，用戶需要掌握大量的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，否則搭建出來的測(cè)試系統(tǒng)根本無法使用。那么是否有一種簡(jiǎn)單易用的線寬測(cè)試系統(tǒng)呢？目前對(duì)于普通線寬測(cè)量HighFinesse可以提供兩種不同的線寬測(cè)試方案：1. 基于斐昨干涉儀的線寬選項(xiàng)L- Option；2.線寬分析儀。

1. HighFinesse波長計(jì)和線寬選項(xiàng) L- Option

L- Option選項(xiàng)是通過軟件對(duì)線寬進(jìn)行估算，它通過一種特殊的算法，避免了干涉儀的響應(yīng)速度偏慢。這種算法能夠使線寬測(cè)量的估算好于干涉儀分辨率的幾倍，同時(shí)，它也可用于測(cè)量多模激光器帶有邊帶的激光器（只有縱模之間的間距小于300MHz才可測(cè)量）。任何已經(jīng)購買的波長計(jì)都可以升級(jí)此選項(xiàng)（此選項(xiàng)要求使用單模光纖）。

2. HighFinesse 線寬分析儀（LWA）

Time trace of frequency deviations

Frequency noise spectrum

Lineshape spectrum

HighFinesse 線寬分析儀（LWA）是一款專業(yè)的g端的激光線寬、線型分析設(shè)備，它基于法布里-珀luo**干涉儀原理制造，是進(jìn)行激光光譜分析的B二選擇。LWA擁有多種型號(hào)，波長測(cè)量范圍可從紫外到近紅外(380-1700nm)，能覆蓋大部分光學(xué)光譜范圍， 依據(jù)不同型號(hào)線寬測(cè)量范圍2KHz-300MHz，采樣率30MSa/s，最高線寬精度20KHz。

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