窄線寬激光器的線寬，相位噪聲，頻率噪聲及相對強度噪聲的測量

　　激光器的線寬，尤其是單頻激光器的線寬，是指光譜的寬度（通常為半高全寬FWHM），激光器的線寬與時間相干性關(guān)系很緊密，由相干長度和相干時間來表征。相干長度指的是同一光源分出的兩束光發(fā)生干涉時的最大光程差，相干時間則是光通過相干長度所需的時間。線寬越窄，相干性越好，激光器的線寬通常會用頻率Hz或長度nm來表示，線寬（Δf或Δλ）和相干長度ΔL的計算可參考以下公式：

（1）Δf=c *Δλ/λ²

（2）ΔL=c/Δf 或 ΔL=λ²/Δλ

其中：c為光速，λ為激光器的中心波長，Δf為Hz表示的線寬，Δλ為nm表示的線寬。

窄線寬激光器就是指輻射光譜很窄的單頻激光器，相位噪聲也很低，因此光譜純度很高，通常這類激光器的強度噪聲也很低。常見的窄線寬激光器有半導體激光器，DFB激光器和DBR激光器，波長都是在1500nm或1000nm區(qū)域，典型的技術(shù)參數(shù)為輸出功率為幾十毫瓦（有時大于100毫瓦），線寬為幾MHz。半導體激光器的線寬可能更窄，可以實現(xiàn)幾kHz甚至小于1kHz的超窄線寬。DFB激光器可以產(chǎn)生幾十毫瓦的輸出功率，線寬為幾kHz范圍。采用非平面環(huán)形諧振腔的二極管泵浦固態(tài)體激光器也可以得到幾kHz的線寬，同時輸出功率相對較高，在1W量級，波長主要為1064nm，1300nm或者1500nm也可以實現(xiàn)。

　　窄線寬激光器的線寬值并不是其性能的全部，我們還需要了解其完整的噪聲光譜，包括相位噪聲，頻率噪聲和強度噪聲（振幅噪聲）等。單頻激光器輸出的并不是嚴格的單色光，還存在相位噪聲。這導致激光器的輸出具有有限的線寬。相位噪聲和頻率噪聲是描述相同現(xiàn)象的不同方法。但是在技術(shù)上對頻率噪聲進行數(shù)值處理比采用相位噪聲要有優(yōu)勢。頻率噪聲與相位噪聲有直接關(guān)系，頻率噪聲是指瞬時頻率噪聲，而相位噪聲則與相位對時間的導數(shù)有關(guān)。相位噪聲可導致激光器出現(xiàn)連續(xù)頻移，相位跳變，或者二者的結(jié)合。強度噪聲通常用相對強度噪聲來定量表示，也就是功率噪聲與平均功率的比值。有時強度噪聲也會與相位噪聲通過非線性相互作用而產(chǎn)生相互耦合。

　　窄線寬激光器應用于很多領(lǐng)域，例如，作為各種光纖傳感器、光譜學、相干光纖通訊的光源，或者用于測試和測量。窄線寬激光器一個很重要的應用就是在傳感領(lǐng)域，例如壓力或者溫度光纖傳感器，各種干涉儀傳感，利用不同的吸收LIDAR來探測追蹤氣體，采用多普勒LIDAR測量風速，有些光纖傳感器需要激光器的線寬為幾kHz。而在光學頻率測量應用中，對激光器的線寬要求則更高。

激光器的線寬測量：

1、線寬比較大時（>10 GHz），采用傳統(tǒng)的衍射光柵光譜分析儀就可以測量，但是這種方法很難得到較高的頻率分辨率。另一種方法是采用頻率鑒別器將頻率漲落轉(zhuǎn)化為強度漲落，鑒別器可以是不平衡的干涉儀或者高精度的參考腔，但是這種測量方法的分辨率也很有限。

2、單頻激光器的線寬測量通常采用自外差法，是記錄激光器輸出與經(jīng)過頻率偏移和延遲的自身之間的拍頻。但是當激光器線寬只有幾百赫茲時，傳統(tǒng)的自外差技術(shù)是不實際的，因為這時需要很大的延遲長度?？梢酝ㄟ^記錄兩個獨立激光器的拍頻得到非常高的分辨率，這時參考激光器的噪聲要遠小于測試激光器，或者二者的性能指標相近。

　　美國OEwaves公司的線寬和噪聲自動測量系統(tǒng)OE4000采用零差法，可以自動測量超窄線寬激光器的線寬，相位噪聲，頻率噪聲和相對強度噪聲（RIN），無需另外配置低噪聲參考激光源。該系統(tǒng)操作簡單，使用預置分析軟件的筆記本電腦，就能夠快速測定洛倫茲線寬<100Hz的激光器，波長范圍除了標準的C波段，還有多個波段可供選擇。