還在為線寬測量發(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 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、普通線寬測量
激光線寬(FWHM)是一項(xiàng)重要指標(biāo),如何對其測量是非常重要的。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量
窄線寬激光器的真實(shí)線寬是難以測量的,要檢測千赫茲量級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)行測量。通過頻譜分析儀測量電頻譜的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的線寬測試分析問題。
對于窄線寬所有的測量方法均受限于有限的測量時(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,測得的線寬可以看作是測量系統(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試中應(yīng)用比較廣泛。利用不同的測試方法,國內(nèi)多家單位對激光器線寬測試進(jìn)行了仔細(xì)研究。
2.1光外差原理
光外差法與電子學(xué)外差檢測原理相似。兩束波長相近的光波耦合到光探測器中混頻從而產(chǎn)生中頻電信號,所產(chǎn)生的中頻電信號的頻率由兩束光的波長差決定,其幅度由兩束光的場矢量內(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)的掃頻測試。然而雙光束外差法需要兩個(gè)激光器,對激光器的頻率、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。這種簡單測量系統(tǒng)將工作在零拍狀態(tài),即參考光和測試光頻率差為零,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)儀器對環(huán)境的要求比較高。為了消除外界環(huán)境噪聲對干涉儀的干擾,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)境對系統(tǒng)帶來的低頻干擾,從而降低系統(tǒng)誤差、提高測量精度。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,耦合到光探測器進(jìn)行拍頻,產(chǎn)生的拍頻信號的中心頻率可通過方波信號來調(diào)節(jié)。
調(diào)制光源由于是直接對光源進(jìn)行調(diào)制,系統(tǒng)比較復(fù)雜,對實(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),中頻信號的半幅全寬是原激光器線寬的兩倍,故可由觀測到的拍頻譜的f導(dǎo)出被測激光的線寬特性。
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)簡單快捷的線寬測試方法,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)知識和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),否則搭建出來的測試系統(tǒng)根本無法使用。那么是否有一種簡單易用的線寬測試系統(tǒng)呢?目前對于普通線寬測量HighFinesse可以提供兩種不同的線寬測試方案: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量的估算好于干涉儀分辨率的幾倍,同時(shí),它也可用于測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才可測量)。任何已經(jīng)購買的波長計(jì)都可以升級此選項(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,波長測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)不同型號線寬測量范圍2KHz-300MHz,采樣率30MSa/s,最高線寬精度20KHz。
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