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窄线宽激光器

时间:2023-11-15 浏览:80
一些激光应用要求激光器具有非常窄的线宽,即窄的光谱。窄线宽激光器是指单频激光器,即在激光值中存在谐振腔模式,并且相位噪声很低,因此光谱纯度很高。典型地,这种激光器具有非常低强度的噪声。
最重要的窄线宽激光器类型如下:
1.半导体激光器,分布式反馈激光二极管(DFB激光器)和分布式布拉格反射激光器(DBR激光器),最常用于1500或1000nm区域。典型的操作参数是几十毫瓦(有时大于100毫瓦)的输出功率和几MHz的线宽。
2.可以用半导体激光器获得较窄的线宽,例如通过用包含窄带光纤布拉格光栅的单模光纤扩展谐振器,或者通过使用外腔二极管激光器。使用这种方法,可以实现几kHz甚至小于1kHz的超窄线宽。
3.小型分布式反馈光纤激光器(由特殊光纤布拉格光栅制成的谐振器)可以产生数十毫瓦的输出功率,线宽在kHz范围内。
4.具有非平面环形谐振器的二极管泵浦固体激光器也可以获得几kHz的线宽,而输出功率相对较高,约为1W。尽管典型的波长是1064nm,但是诸如1300或1500nm的其他波长区域也是可能的。
影响激光器窄线宽的主要因素
为了实现具有非常窄的辐射带宽(线宽)的激光器,在激光器设计中需要考虑以下因素:
首先,需要实现单频操作。这可以通过使用具有小增益带宽和短激光腔(导致大的自由光谱范围)的增益介质来容易地实现。目标应该是在没有模式跳变的情况下长期稳定的单频操作。
其次,需要将外部噪声的影响降至最低。这需要稳定的谐振器设置(单色),或针对机械振动的特殊保护。电泵浦激光器需要使用低噪声电流或电压源,而光泵浦激光器需要具有低强度噪声作为泵浦光源。此外,需要避免所有的反馈光波,例如通过使用法拉第隔离器。理论上,外部噪声的影响小于内部噪声,例如增益介质中的自发发射。当噪声频率高时,这很容易实现,但当噪声频率低时,对线宽的影响最为重要。
第三,激光设计需要优化,以最大限度地减少激光噪声,尤其是相位噪声。高腔内功率和长谐振器是优选的,尽管在这种情况下更难实现稳定的单频操作。
系统优化需要了解不同噪声源的重要性,因为根据主要噪声源需要不同的测量。例如,如果实际线宽由机械噪声确定,则根据Schawlow-Townes方程最小化的线宽不一定使实际线宽最小化。
噪声特性和性能规范。
窄线宽激光器的噪声特性和性能指标都是微不足道的问题。条目中讨论了不同的测量技术线宽,尤其是要求几kHz或更小的线宽。此外,仅考虑线宽值并不能给出所有噪声特性;有必要给出完整的相位噪声谱以及相对强度的噪声信息。线宽值至少需要与测量时间或考虑长期频率漂移的其他信息相结合。
当然,不同的应用有不同的要求,在不同的实际情况下需要考虑什么水平的噪声性能指标。
窄线宽激光器的应用
1.一个非常重要的应用是在传感领域,例如压力或温度光纤传感器、各种干涉仪传感、使用不同吸收激光雷达检测和跟踪气体、使用多普勒激光雷达测量风速。一些光纤传感器需要几kHz的激光线宽,而在LIDAT测量中,100kHz的线宽就足够了。
2.光学频率测量需要非常窄的源线宽,这需要稳定技术来实现。
3.光纤通信系统对线路宽度的要求相对宽松,主要用于发射机或检测或测量。
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