Schawlow-Townes线宽

2021-04-29 09:35:38 浏览:779

定义

只具有量子噪声的单频激光器的线宽。

第一台激光器在实验上实现之前,Schawlow和Townes已经理论上计算了激光器线宽的基本限制因素[1]。这就是著名的Schawlow-Townes方程:

光子能量为 h ν,Δνc 是谐振腔带宽(半高半宽,HWHM),Pout是输出功率。这里假设不存在任何寄生腔内损耗。注意这表示的是半高半宽。

后来Melvin Lax指出激光器工作(高于阈值泵浦功率)的线宽比Schawlow和Townes得到的要小两倍[2]。如果考虑因子1/2,并且将线宽值转化为半高全宽(激光器线宽和腔线宽同时改变),得到修正后的线宽方程为:

另一个更常用的形式为[6,7]:

其中Toc 代表输出耦合器的透射率,ltot是谐振腔总的损耗(可能比Toc 大),Trt是谐振腔往返时间,θ是考虑了三能级增益介质中自发辐射会增大的自发辐射因子。

对应相位噪声的双边功率谱密度为:

白频率噪声为:

通常认为Schawlow-Townes线宽对应的相位噪声是由于自发辐射进入激光器模式引起的。尽管这种解释很直观,但不是完全正确的。因为激光器增益和激光器谐振腔的线性损耗对腔内光场的量子噪声的影响是相同的。也就是说,即使将激光增益区换成无噪声的放大过程,相位噪声也只会减小到Schawlow-Townes值的一半[3]

精心设计制作的固体激光器可以达到几kHz的窄线宽,但是仍然高于Schawlow-Townes极限,因为技术上的附加噪声使其很难达到该极限。

根据以上的方程,半导体激光器的线宽通常也很大,因为:

1、存在自发辐射因子,例如,由于半导体的重吸收,在2-3个量级之间;

2、存在很强的振幅相位耦合效应,可以定量的由线宽增强因子α来表示,会将线宽提高至少一个数量级;

3、还存在瞬时频率的功率谱密度的1/f形式的附加噪声。这与半导体中的带电载流子的涨落有关;

4、外腔二极管激光器中,存在机械振动引起的附加噪声。

在锁模激光器中的应用

Schawlow–Townes公式甚至适用于有源锁模激光器[4],这时Pout为总的平均功率(而不是频率梳某一条线对应的功率)。后一定律可能比较难以理解,但是可以认为光谱中单条线的相位不是单独变化的,它们由调制器锁定在一起。(不然循环脉冲会散开)

它还可以进一步推广到无源锁模激光器[5]中。这里根据Schawlow–Townes公式可以推测光谱中心附近的线宽,而光谱两翼的线宽则由于量子噪声引起的时间抖动而增大。无源锁模激光器中存在的非线性动力学过程会引起很强的附加噪声,在这种情况下Schawlow–Townes结果就不适用了。

参考文献

[1] A. L. Schawlow and C. H. Townes, “Infrared and optical masers”, Phys. Rev. 112 (6), 1940 (1958)
[2] M. Lax, “Classical Noise. V. Noise in Self-Sustained Oscillators”, Phys. Rev. 160 (2), 290 (1967)
[3] H. M. Wiseman, “Light amplification without stimulated emission: beyond the standard quantum limit to the laser linewidth”, Phys. Rev. A 60 (5), 4083 (1999)
[4] P.-T. Ho, “Phase an amplitude fluctuations in a mode-locked laser”, IEEE J. Quantum Electron. QE-21, 1806 (1985)
[5] R. Paschotta et al., “Optical phase noise and carrier–envelope offset noise of mode-locked lasers”, Appl. Phys. B 82 (2), 265 (2006)
[6] R. Paschotta, "Derivation of the Schawlow–Townes linewidth"
[7] R. Paschotta, H. R. Telle, and U. Keller, “Noise of Solid State Lasers”, in Solid-State Lasers and Applications (ed. A. Sennaroglu), CRC Press, Boca Raton, FL (2007), Chapter 12, pp. 473–510

参阅:线宽、线宽增强因子、激光器噪声、量子光学

涨落和噪声

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