噪声性能指标 Noise specifications

2022-11-07 10:40:15 浏览:179

定义

激光器噪声特性的规范。

噪声强度(例如激光器输出)通常需要量化,特别是在频率计量、灵敏光谱测量或光纤通信等应用中,其中设备或系统的性能受到噪声的限制。

激光器和光放大器的噪声规格示例

强度噪声

强度噪声通常通过使用光电二极管和相关电子设备(如电子频谱分析仪)分析激光输出来测量。 可以用相对强度噪声的功率谱密度作为噪声频率的函数来指定。 对于某些目的,均方根(r.m.s.)值,本质上是某个频率范围(例如1 Hz – 1 MHz)功率谱密度积分的平方根就足够了。 然而,没有指定测量带宽的 r.m.s. 值是荒谬的。 该带宽确定如下:

  • 较高的频率限制通常由光电探测器(包括检测电子设备)的速度设定。 显然,慢速探测器无法记录快速波动,因此表明噪声比快速探测器弱。 对于数字记录,测量带宽最多是采样频率(→奈奎斯特定理)的一半,实际上通常更低,因为必须在采样前应用低通滤波以避免混叠效应。
  • 频率下限大约是逆测量时间。 当在某个有限的时间间隔内记录强度波动时,人们无法知道记录的功率平均值在较长时间内与平均功率的偏差有多大。 因此,抑制了低于逆测量时间的频率处噪声的影响,其幅度是未知的。

相位和频率噪声

光学相位噪声可以通过相位波动的功率谱密度(PSD)来量化。 或者,可以指定瞬时频率波动的PSD。 这种功率谱密度通常在零频率下发散,因此不可能积分到零频率(例如使用理论上计算的PSD)。 对于简单的随机游走过程,相干时间或相干长度或线宽值的规范可能是合适的。 请注意,线宽值通常取决于测量时间。

频率噪声与相位噪声直接相关;它是瞬时光频率的噪声,后者与光相位的时间导数有关。

在频率计量中,通常使用归一化相位波动 x(t) =δφ(t) / (2πν0),即相位涨落除以平均角频率。 归一化相位波动的时间导数然后提供归一化频率波动y(t),即瞬时频率相对于平均频率的波动。 为了比较不同平均频率的源的相位噪声,比较功率谱密度是合适的Sx(f)归一化相位波动或Sy(f)归一化频率波动,而不是相位或频率偏移本身,因为这些归一化波动决定了时钟等的精度和准确度。

在频率计量学中,使用艾伦偏差或艾伦方差作为时间的函数是很常见的。 这些量可以从功率谱密度计算,而相反的计算是模棱两可的。

定时噪声

脉冲序列的时序抖动可以量化为时序偏差(例如,来自某些无噪声参考)或时序相位的功率谱密度。 为一定范围的噪声频率指定均方根值也很常见。

噪声系数

电子或光放大器的噪声系数量化了放大器的多余噪声。

环境条件

激光噪声通常取决于环境条件。 因此,了解某些规格适用的环境条件显然至关重要。 特别:

  • 它适用于恒定的室温,还是适用于允许的工作温度范围内的任意温度变化?
  • 它是在打开设备后立即有效,还是仅在长时间预热后有效?
  • 是否假设是无振动的环境?

后者对于光束指向波动的规格尤为重要。

在振动等环境噪声源的影响下指定激光噪声并不容易,因为很难量化这些影响。 此外,它们的影响可能在很大程度上取决于噪声频率:机械设置可能会有一些共振,使设备对某些频率的振动非常敏感。

常见问题

由于各种原因,通常无法达到正确的噪声规格:

  • 噪声的数学描述很复杂,在物理或工程课程中往往没有得到适当的处理。 因此,无意义的噪声规格在产品数据表甚至科学文献中普遍存在。
  • 在激光物理学中,存在多种不同类型的噪声,它们在概念上和物理上以不明显的方式相关(例如:锁模激光器的光学相位噪声和定时相位噪声)。 因此,物理洞察力与数学知识一样重要。
  • 噪声测量受到许多非平凡的技术问题的影响。 例如,需要有关电子频谱分析仪内部工作原理的详细专业知识,以便从此类设备的测量中获得正确的结果。 黑盒处理(使用设备读数而不知道它们是如何生成的)很容易导致错误的结果,例如通过不适当的设备设置或未能应用某些校正因子(例如,频谱分析仪中的对数平均)。

涨落和噪声

作          者: 泮桥成像光电商城

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