窄线宽激光器

2021-04-29 13:40:11 浏览:915

定义

辐射光谱很窄的单频激光器。

一些激光器应用需要激光器线宽很窄,也就是窄光谱。窄线宽激光器都是指单频激光器,也就是激光器值存在一个谐振腔模式,相位噪声很低,因此光谱纯度很高。通常这类激光器强度噪声很低。

窄线宽激光器类型

最重要的几种窄线宽激光器如下:

1、半导体激光器,分布反馈激光二极管(DFB激光器)和分布布拉格反射激光器(DBR激光器),最重用的都是应用于1500或者1000nm区域。典型的工作参数为输出功率为几十毫瓦(有时大于100毫瓦),线宽为几个MHz。

2、半导体激光器得到的线宽可能更窄,例如采用包含窄带光纤布拉格光栅的单模光纤拓展谐振腔,或者采用外腔二极管激光器。采用这种方法,可以实现几 kHz甚至小于1kHz的超窄线宽。

3、小的分布反馈光纤激光器(谐振腔由特殊光纤布拉格光栅组成)可以产生几十毫瓦的输出功率,线宽为几kHz范围。

4、具有非平面环形谐振腔的二极管泵浦固态体激光器也可以得到几kHz的线宽,同时输出功率相对较高,在1W量级。尽管典型波长为1064nm,其它的波长区域,例如1300或者1500nm也可能实现。

激光器窄线宽的主要影响因素

为了实现激光器具有很窄的辐射带宽(线宽),在激光器设计时需要考虑以下因素:

1、首先,需要实现单频工作。这很容易通过采用小增益带宽的增益介质和短的激光器谐振腔(得到大的自由光谱范围)来实现。目标应该是长时间稳定的单频工作,不存在跳模。

2、其次,需要最小化外界噪声的影响。这需要稳定的谐振腔设置(单色),或者特殊保护装置来避免机械振动。电泵浦激光器需要采用低噪声的电流或者电压源,光学泵浦的激光器的泵浦光源则需要具有低的强度噪声。另外,需要避免所有的反馈光波,例如采用法拉第隔离器。理论上外界噪声影响小于内部噪声,例如增益介质中的自发辐射。这在噪声频率高时很容易实现,但是当噪声频率低时则对线宽的影响最重要。

3、第三,需要优化激光器设计使激光器噪声最小,尤其是相位噪声。最好采用高的腔内功率和长谐振腔,尽管在这种情况下稳定的单频工作更难实现。

对系统优化需要了解不同噪声源的重要性,因为根据占据主要地位的噪声源的不同需要采用不同的测量方式。例如,根据Schawlow-Townes方程最小化的线宽没有必要最小化实际的线宽,如果实际线宽是由机械噪声决定的。

噪声特征和性能指标

窄线宽激光器的噪声特征和性能指标都是都是比较琐碎的问题。在词条线宽中讨论了不同的测量技术,尤其是线宽在几kHz或更窄时对测量要求很高。另外,仅考线宽值不能给出全部的噪声特征;需要给出完整的相位噪声光谱,还有相对强度噪声信息。线宽值至少需要和测量时间结合考虑,或者与考虑长时间的频率漂移的其它信息结合起来。

当然不同的应用要求不同,在不同的实际情况中考虑需要达到什么水平的噪声性能指标。

窄线宽激光器的应用

1、一个很重要的应用是在传感领域,例如压力或者温度光纤传感器,各种干涉仪传感,利用不同的吸收LIDAR来探测追踪气体,采用多普勒LIDAR测量风速。有些光纤传感器需要激光器线宽为几kHz,而在LIDAT测量中,100kHz线宽就足够了。

2、光学频率测量需要光源线宽非常窄,需要采用稳定技术来实现。

3、光纤通信系统则对线宽的要求相对宽松,主要用于发射器或者用于探测或者测量。

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参阅:线宽、单频激光器、激光器应用、激光器噪声、激光器性能指标、光谱学

涨落和噪声

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