单频窄线宽激光器_一文详解窄线宽激光器

00简介

许多激光应用(见下文)要求激光器具有非常小的光学线宽，即窄光谱。窄线宽激光器一词通常应用于单频激光器，即以低相位噪声、高光谱纯度的单腔模式振荡的激光器。通常，这种激光器也表现出低强度噪声。

窄线宽激光器的类型

最重要的窄线宽激光器类型如下：

在半导体激光器中，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)是最常见的，例如，工作在1.5或1.0 m的波长范围内。典型的工作特性是输出功率为几十毫瓦(或者可能略高于100毫瓦)和线宽为几兆赫。

例如，通过使用包含窄带宽光纤布拉格光栅的单模光纤或其他类型的外腔二极管激光器来扩展谐振器，可以从半导体激光器获得明显更小的线宽。这样就可以实现几千赫兹甚至低于1 kHz的超窄线宽。

分布反馈激光器形式的小型光纤激光器(谐振腔主要由特殊的光纤布拉格光栅构成)可以产生几十毫瓦的输出功率，线宽约为几千赫兹。

使用更长的分布布拉格反射激光器(DBR光纤激光器)或单向光纤环形激光器以及使用光纤放大器可以产生更高的输出功率。

二极管泵浦的固态激光器，例如，以非平面环形振荡器的形式，也可以具有几千赫兹的线宽，结合1 W量级的相对高的输出功率。虽然1064 nm的波长是典型的，但是其他波长，例如在1.3或1.5微米的波长范围内也是可能的。

窄激光线宽的基本因素

为了实现激光器的窄发射带宽(线宽),必须观察激光器设计中的几个问题：

第一，要实现单频运行。当使用具有小增益带宽的增益介质和短长度的激光谐振器(导致大的自由光谱范围)时，这是最简单的。目标应该是长期稳定的单频运行，不跳模。

其次，必须将外部噪声的影响降至最低。这需要一个稳定的谐振器设置(最好是单片)，可能带有特殊的机械振动保护。电泵浦激光器应使用低噪声电压或电流源，而光泵浦激光器应使用低强度噪声泵浦源。此外，必须避免任何光学反馈，例如使用法拉第隔离器。理想情况下，外部噪声的影响将低于内部噪声的影响，例如来自增益介质的自发辐射。这在高噪声频率下通常很容易实现，但在对线宽最重要的低噪声频率下却不容易。

第三，应当优化激光器设计，以最小化激光器噪声，尤其是相位噪声。高的腔内光功率和长的谐振器可能是有益的，尽管用更长的谐振器更难实现稳定的单频操作。

当然，设计优化需要知道不同噪声源的相对重要性，因为根据哪个噪声源占主导可能需要不同的措施。例如，根据Schawlow-Townes方程最小化线宽的措施可能不一定最小化实际线宽，如果这是确定的，例如由于机械噪声。

03噪声特性和规格

窄线宽激光器的噪声特性和规格远非微不足道。在关于线宽的文章中，讨论了各种测量技术，特别是对于几千赫兹或更低的线宽值，要求很高。另外，单一的线宽值不能视为完整的噪声特性；除了相对强度噪声的信息，最好有完整的相位噪声谱。至少，线宽值应该与测量时间一起指定，并且可能与长时间间隔内的频率漂移有关的一些信息一起指定。

当然，不同的应用有不同的要求，因此我们应该详细检查在任何特定情况下，噪声规格到底有多严格。

04窄线宽激光器的应用

一个特别重要的应用领域是传感器领域，例如用于应变和/或温度的光纤传感器、各种类型的干涉感测、使用差分吸收激光雷达(DIAL)的痕量气体检测或使用多普勒激光雷达的风速测量。有些光纤传感器只需要几kHz线宽，100 kHz就够了，比如激光雷达测量。

光频测量需要非常窄线宽的光源，通常通过稳定化技术来实现。

全息摄影需要连续波或脉冲单频激光来产生高度相干光。

通常，它是在光纤通信中不需要高线宽的应用，例如在发射机中或用于测试和测量目的。

审计唐子红