测量超窄线宽激光器激光线宽的方法

摘要

一种测量超窄线宽激光器激光线宽的方法，其创新在于：采用自外差探测系统，获取自外差条件下超窄线宽激光器的功率谱；在功率谱上高尖峰脉冲以外的区域，选取位置相互邻近的一个波峰和一个波谷，分别计算出所述波峰和所述波谷在功率谱上的对比度的差值，然后根据计算出激光线宽。本发明的有益技术效果是：提出了一种测量超窄线宽激光器激光线宽的方法，该方法可以在延迟光纤较短的条件下实现超窄线宽的测量，不仅大大减少了硬件需求，而且可以有效避免大长度延迟光纤带来的噪声问题，测量精度较好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器激光线宽测量技术，尤其涉及一种测量超窄线宽激光器激光线宽 的方法。

背景技术

本领域技术人员应该明白，激光线宽对探测系统的精度、灵敏度、探测距离以及探测噪 声等都有很大影响，为了保证探测系统的性能，在搭建探测系统时，需要对所用的激光器的 激光线宽值进行精确测定。

现有技术中，能用于测定激光器激光线宽值的方法多种多样，常见的如高精度光谱仪、 扫描F-P干涉仪、自零差线宽探测和自外差线宽探测等；在现有技术条件下，采用前述的第 一种方法和第二种方法进行激光线宽值测定时，其精度只能达到MHz级别，而采用前述的第 三种方法和第四种方法以及延伸出的补偿自外差方法进行激光线宽值测定时，其精度只能达 到kHz级别。

随着超窄线宽激光器技术的发展，激光线宽越来越窄，对于线宽在百Hz级别以下的超 窄线宽激光器，前述的第一种方法和第二种方法则完全不能适用，若用前述的第三种和第四 种方法对这种超窄线宽激光器的激光线宽值进行测定，需要使用几百公里长度的单模光纤作 为延迟光纤，然而由这么长的延迟光纤所产生的1/f噪声所形成的高斯型线宽能达到数kHz 级别，该噪声会把需要测定的激光线宽淹没掉，虽然可以采用Voigt拟合将洛仑兹线型和高斯 线型分开，但是Voigt拟合时已经取近似，再加上噪声所形成的高斯型线宽比激光器本身的洛 仑兹线宽高一个数量级，因此利用Voigt拟合是难以精确地测量出激光器线宽的。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种测量超窄线宽激光器激光线宽的方法，其创 新在于：采用自外差探测系统，获取自外差条件下超窄线宽激光器的功率谱；在功率谱上高 尖峰脉冲以外的区域，选取位置相互邻近的一个波峰和一个波谷，分别计算出所述波峰和所 述波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS，然后根据下式计算出激光线宽Δf：

ΔS＝10log₁₀S(F1,Δf)-10log₁₀S(F2,Δf)

其中，F1为功率谱上所述波峰位置处的频谱仪探测频率，F2为功率谱上所述波谷位置 处的频谱仪探测频率；

前式中，S(F1,Δf)＝S1^#·S2^#，S(F2,Δf)＝S1^*·S2^*；其中，S1^#为F1对应的洛仑兹线型 谱，S2^#为F1对应的周期正弦调制谱，S1^*为F2对应的洛仑兹线型谱，S2^*为F2对应的周期 正弦调制谱；

$S{1}^{\#}=\frac{P_0^2}{4\pi }·\frac{\Delta f}{{\mathrm{\Delta f}}^2+F{1}^2};$

$S{2}^{\#}=1-\exp (-2\pi ·\Delta f·{\tau }_d)·[cos(2\pi ·A1·{\tau }_d)+\Delta f·\frac{sin(2\pi ·A1·{\tau }_d)}{A1}];$

$S{1}^{*}=\frac{P_0^2}{4\pi }·\frac{\Delta f}{{\mathrm{\Delta f}}^2+F{2}^2};$

$S{2}^{*}=1-\exp (-2\pi ·\Delta f·{\tau }_d)·[cos(2\pi ·A2·{\tau }_d)+\Delta f·\frac{sin(2\pi ·A2·{\tau }_d)}{A2}];$

其中，P₀为超窄线宽激光器的光功率；τ_d为自外差探测系统中，延迟光纤的时延量与声 光调制器的时延量的差值；A1为F1与声光调制器中心频率的差值的绝对值；A2为F2与声 光调制器中心频率的差值的绝对值；具体实施时，由于声光调制器内的光路极短(一般在1 米左右)，因此τ_d可直接取延迟光纤的时延量，即τ_d＝L/c；

A1＝|F1-f|，A2＝|F2-f|，其中，f即为自外差探测系统中声光调制器的中心频率；

n为自外差探测系统中延迟光纤的折射率，L为自外差探 测系统中延迟光纤的长度，c为光速。

本发明的原理是：

参见图1，图中示出了现有技术中一种典型的自外差探测系统，根据现有理论可知，在 自外差条件下采用图1中自外差探测系统对激光线宽进行检测时，激光器输出功率谱的表达 式可由下式示出：

S(F,Δf)＝S1·S2+S3(1)

其中，F为频谱仪探测频率；Δf为功率谱的半高全宽，也即激光器的激光线宽；S1为F 对应的洛仑兹线型谱；S2为F对应的周期正弦调制谱；S3为对应功率谱上高尖峰脉冲的函 数：本领域技术人员应该清楚，应用自外差探测系统时，功率谱上对应声光调制器中心频率f 的位置处存在一个高尖峰脉冲；

根据现有理论，前述的S1、S2和S3可展开为如下3式：

$S1=\frac{P_0^2}{4\pi }·\frac{\Delta f}{{\mathrm{\Delta f}}^2+F^2}---\left(2\right)$

$S2=1-\exp (-2\pi ·\Delta f·{\tau }_d)·[cos(2\pi ·A·{\tau }_d)+\Delta f·\frac{sin(2\pi ·A·{\tau }_d)}{A}]---\left(3\right)$

$S3=\frac{\pi ·P_0^2}{2}·\exp (-2\pi ·\Delta f·{\tau }_d)·\delta \left(A\right)---\left(4\right)$

其中，A为F与声光调制器中心频率的差值的绝对值，A＝|F-f|；δ(A)为用来反应高 尖峰脉冲特性的脉冲函数，当F＝f时，δ(A)＝∞，当F≠f时，δ(A)＝0；P₀为激光器的光 功率(对应到超窄线宽激光器时，P₀即为超窄线宽激光器的光功率)。

发明人在研究过程中，对前述的自外差探测系统进行了第一次模拟仿真实验，实验中， 将激光线宽设定为100Hz，分别以延迟光纤长度为3km、5km、10km、50km、100km、1000 km和5000km作为变化条件，获取不同条件下激光器的归一化功率谱，将多个归一化功率谱 叠放后，即得图2，从图中可见，延迟光纤长度为3km时，相应包络线最为明显，延迟光纤 长度为5km时，相应包络线上的波峰和波谷变得较为密集，波峰和波谷的明显程度比3km时 较差，随着延迟光纤长度的增加，包络线上的波峰和波谷排列得越来越密集，波峰和波谷的 明显程度也逐渐变差，当延迟光纤长度达到100km以上时，人眼已经无法从包络线上识别出 明显的波峰和波谷了，延迟光纤长度达到5000km时，包络线的明显程度最差。

在进行了前述模拟仿真实验后，发明人又进行了第二次模拟仿真实验：从第一次模拟仿 真实验的结论中可知，延迟光纤长度越短，包络线上的波峰和波谷就越明显，为了便于对包 络线的特性进行观察分析，本次模拟仿真实验中，将延迟光纤长度设定为3km，分别以激光 线宽为0.1kHz、0.4kHz、2kHz、10kHz和50kHz作为变化条件，获取不同条件下激光器的归 一化功率谱，将多个归一化功率谱叠放后，即得图3，从图中可见，激光线宽为0.1kHz时， 相应包络线上波峰和波谷之间的差异最为明显，随着激光线宽的增加，包络线上波峰和波谷 之间的差异逐渐缩小，当激光线宽达到50kHz，除包络线中部的高尖峰脉冲以外，已经分辨 不出其余波峰和波谷的差异了。

第二次模拟仿真实验的结论说明：延迟光纤长度越短、激光线宽越窄时，包络线上的波 峰和波谷的差异越大，为了对超窄线宽激光器的包络线特性进行研究，发明人又以延迟光纤 长度小于10km、激光线宽小于200Hz为条件，进行了多次仿真试验(试验过程中，延迟光 纤长度在小于10km的范围内变化，激光线宽在小于200Hz的范围内变化)，并对每次仿真试 验得到的归一化功率谱进行了仔细分析；在分析时，发明人发现，当延迟光纤长度一定、激 光线宽一定时，功率谱中除高尖峰脉冲以外的区域上，相邻波峰和波谷之间的对比度差值为 一常量，并且此常量只与激光带宽有关(相邻波峰和波谷的对比度差值与激光带宽的关系如 图4所示)，并且可由频谱仪直接读出，于是发明人想到，如果我们能够通过公式将前述常量 与激光线宽联系起来，就能在延迟光纤长度很短的条件下，实现超窄线宽的探测，从而避免 背景技术中所述的问题(即延迟光纤长度较大时，噪声会把需要测定的激光线宽淹没掉)；

基于前述思路，于是发明人又回过头来对现成的公式进行分析，公式(1)中的S3为对 应功率谱上高尖峰脉冲的函数，由于高尖峰脉冲存在不稳定性，无法获取到有效的对比度， 而在公式(4)中，用来反应高尖峰脉冲特性的脉冲函数δ(A)在F≠f时等于0，那么在不考 虑高尖峰脉冲的条件下，公式(1)就能简化为：

S(F≠f,Δf)＝S1·S2(5)

再看一下S1和S2所对应的公式(2)和公式(3)，我们就会发现，公式(2)和公式(3) 中，除Δf外，其余参数均为可以获取到的常量，那么只要将公式(5)与前述的“相邻波峰 和波谷的对比度差”联系起来，就能解决问题了；

基于现有理论可知，频谱仪在计算不同探测频率位置处的对比度差时，其所依据的数学 模型为：

ΔS^*＝10log₁₀S(Fn,Δf)-10log₁₀S(Fm,Δf)(6)

其中，Fn和Fm分别代表功率谱上两个位置处的频谱仪探测频率；S(Fn,Δf)和S(Fm,Δf) 均能用公式(1)来进行表达，仅需对具体参数进行调整；

于是，将Fn和Fm替换为本发明方案中的F1和F2后，公式(6)就能变形为

ΔS＝10log₁₀S(F1,Δf)-10log₁₀S(F2,Δf)，

相应地，公式(1)中的S1和S2也就变形为分别对应S(F1,Δf)和S(F2,Δf)的S1^#、S2^#、 S1^*和S2^*了，至此，本发明的方案也就形成了；采用这种测量方法来对超窄线宽激光器激光 线宽进行测量时，不需要长度巨大的延迟光纤，这不仅大大的降低了硬件成本，更为有意义 地是，随着延迟光纤长度的缩减，可以有效避免产生较大的噪声，从而也就避免了激光线宽 淹没在噪声中，实现对超窄线宽激光器激光线宽的精确测量。

值得说明的是，本领域技术人员在具体实施本发明时，还需注意如下问题：发明人在提 出了本发明方案后，还进行了测量实验来验证本发明方案，验证实验的条件为：按图1所示 结构搭建测量系统，以一激光线宽已知(150Hz)的激光器作为测量对象，分别以延迟光纤 长度为1km、2km、3km、4km、5km、10km和50km作为变化条件，按本发明方案在不 同条件下进行激光线宽测量，其中，在1km、2km条件下时，测量结果大于150Hz，并且随 着延迟光纤长度的变短，测量结果的偏差越大，在3km、4km、5km条件下时，测量结果与 150Hz基本吻合，在10km、50km条件下时，随着延迟光纤长度的变大，测量结果的偏差也 越大；排除了硬件因素后，经分析发现，在1km、2km时，由于延迟光纤长度过短，导致相 应波峰和波谷距中心频率的距离较大，波峰和波谷的对比度差值较小，在光电探测器和频谱 仪的本底噪声干扰作用下，导致测量到的线宽有所展宽，这说明延迟光纤也并非越短越好； 在10km、50km时，主要是因为延迟光纤过长，存在背景技术中所述的噪声干扰问题，导致 测量到的线宽较大；

从前面的分析中可以看出，延迟光纤过短也会导致测量不准确，显然，这就涉及到如何 确定延迟光纤长度的问题，虽然本发明未对此问题作出说明，但在本发明揭示了前述作用机 理的基础上，本领域技术人员应该能够依据自身所掌握的基本技能，通过简单的调节找出较 为合理的延迟光纤长度，从而实施本发明方案。

优选地，所述波峰选取离高尖峰脉冲最近的那个波峰，离高尖峰脉冲最近的那个波峰记 为第一波峰，所述波谷在第一波峰两侧的两个波谷中任取一者。本优选方案中之所以如此限 定，是因为包络线上距离高尖峰脉冲越远的位置，距中心频率也就越远，受到噪声干扰的程 度也越大，为降低噪声的影响，因此所选的波峰和波谷应尽量靠近高尖峰脉冲；另外，由于 功率谱中的包络线的线形相对于中心频率对称，因此离高尖峰脉冲最近的波峰存在两个(高 尖峰脉冲左右各一个)，任取一者均可。

本发明的有益技术效果是：提出了一种测量超窄线宽激光器激光线宽的方法，该方法可 以在延迟光纤较短的条件下实现超窄线宽的测量，不仅大大减少了硬件需求，而且可以有效 避免大长度延迟光纤带来的噪声问题，测量精度较好。

附图说明

图1、典型自外差探测系统原理示意图；

图2、归一化功率谱叠放图一；

图3、归一化功率谱叠放图二；

图4、相邻波峰波谷的对比度差值与激光带宽关系示意图；

图1中各个标记所对应的名称分别为：激光器1、光衰减器2、光隔离器3、第一耦合器 4、声光调制器5、延迟光纤6、第二耦合器7、光电探测器8、频谱仪9。

具体实施方式

一种测量超窄线宽激光器激光线宽的方法，其创新在于：采用自外差探测系统，获取自 外差条件下超窄线宽激光器的功率谱；在功率谱上高尖峰脉冲以外的区域，选取位置相互邻 近的一个波峰和一个波谷，分别计算出所述波峰和所述波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS， 然后根据下式计算出激光线宽Δf：

ΔS＝10log₁₀S(F1,Δf)-10log₁₀S(F2,Δf)

其中，F1为功率谱上所述波峰位置处的频谱仪探测频率，F2为功率谱上所述波谷位置 处的频谱仪探测频率；

前式中，S(F1,Δf)＝S1^#·S2^#，S(F2,Δf)＝S1^*·S2^*；其中，S1^#为F1对应的洛仑兹线型 谱，S2^#为F1对应的周期正弦调制谱，S1^*为F2对应的洛仑兹线型谱，S2^*为F2对应的周期 正弦调制谱；

$S{1}^{\#}=\frac{P_0^2}{4\pi }·\frac{\Delta f}{{\mathrm{\Delta f}}^2+F{1}^2};$

$S{2}^{\#}=1-\exp (-2\pi ·\Delta f·{\tau }_d)·[cos(2\pi ·A1·{\tau }_d)+\Delta f·\frac{sin(2\pi ·A1·{\tau }_d)}{A1}];$

$S{1}^{*}=\frac{P_0^2}{4\pi }·\frac{\Delta f}{{\mathrm{\Delta f}}^2+F{2}^2};$

$S{2}^{*}=1-\exp (-2\pi ·\Delta f·{\tau }_d)·[cos(2\pi ·A2·{\tau }_d)+\Delta f·\frac{sin(2\pi ·A2·{\tau }_d)}{A2}];$

其中，P₀为超窄线宽激光器的光功率；τ_d为自外差探测系统中，延迟光纤的时延量与声 光调制器的时延量的差值；A1为F1与声光调制器中心频率的差值的绝对值；A2为F2与声 光调制器中心频率的差值的绝对值；

A1＝|F1-f|，A2＝|F2-f|，其中，f即为自外差探测系统中声光调制器的中心频率；

n为自外差探测系统中延迟光纤的折射率，L为自外差探 测系统中延迟光纤的长度，c为光速。

进一步地，所述波峰选取离高尖峰脉冲最近的那个波峰，离高尖峰脉冲最近的那个波峰 记为第一波峰，所述波谷在第一波峰两侧的两个波谷中任取一者。