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線寬是激光器的重要參數(shù)。激光起振后，會有一個或多個縱模產(chǎn)生，每個縱模的頻率的范圍就是激光的線寬。注意每個縱模的頻率寬度和縱模之間的間隔是兩個不同的概念，縱模間隔是相鄰兩個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最小的下限，單色光的振幅、相位和頻率的任何漲落都會產(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 必然會影響激光線寬， 因為它決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間，及在這段時間內(nèi)激光光源的線寬受到的由不同噪音源引起的頻率抖動的影響，如泵浦激光器噪聲、聲學(xué)噪聲、振動噪聲等。以窄線寬激光器為例，測得的線寬可以看作是測量系統(tǒng)在積分時間內(nèi)的技術(shù)噪聲源造成的綜合的頻率抖動。

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自外差法。單激光器的延時自外差法包括了延時零拍自外差法和延時非零拍自外差法，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，其需要兩個激光器。一個激光器輸出功率和波長要十分穩(wěn)定，另一個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，實驗系統(tǒng)復(fù)雜。

2.1.2單激光器的延時自外差法

延時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，也稱為延時零拍自外差法。其優(yōu)點是不使用聲光調(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，同時也減小了傳輸光的功率損耗。但由于整個系統(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，如空氣的微振動和溫度的細(xì)微變化等因素帶來的影響，使得整個儀器對環(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)展出了延時非零拍自外差法。

延時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，對實驗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,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激光器延時非零拍外差法

綜上所述，現(xiàn)階段還沒有一個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)知識和實驗經(jīng)驗，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L- Option；2.線寬分析儀。

1. HighFinesse波長計和線寬選項 L- Option

L- Option選項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，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)購買的波長計都可以升級此選項（此選項要求使用單模光纖）。

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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