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激光器窄线宽测量: 延时自外差法测量线宽

时间:2020-01-08   访问量:5335

线宽通常以光场功率谱的半最大值全宽度(FWHM)来定义。基于光栅的光谱分析仪(OSA)不能提供激光线宽测量所需的测量分辨率,因此必须使用其他表征测量方法。

由光场相位波动引起的激光线宽度,波动产生于两个基本来源,

1.改变激光场相位和强度的自发发射。

2.载流子密度波动(半导体独有的)


延时自外差法测量线宽原理,入射光干涉仪分为两个路径,一路光通过延迟线(7公里光纤),一路光经过相位调制器。如果延迟时间比激光的相干长度长,两束合束激光发生干涉, 就好像他们来自两个独立偏移1GHz的激光器。

延时自外差法测量线宽


两个光场之间的干涉 

ν = 194THz(1550nm)

Φ = 光学相位(考虑任何相位噪声)

两波之间的干扰会引起光电二极管可检测到的强度变化, 因此检测到功率:

在光电检测器中产生的光电流:

前两项对应于直接强度检测,第三项是重要的外差混合项。注意,实际的光学频率消失了,只有差分(fIF)保留了下来。如果在光电二极管上分别检测任一场,产生的光电流将只跟随功率变化P(t),所有相位信息将丢失。

自零差可以在数学上描述为单延迟自相关。f0的光谱与它自身的延迟版本自相关,产生一个以0Hz为中心的时间波动光谱。

卷积是由时变本振场与光电探测器信号场相乘得到的。时域上的乘法等价于频域上的卷积。


洛伦兹线形

延时自外差法测量线宽

对于洛伦兹线形的情况,自相关函数也是洛伦兹线,其线宽恰好是原始线宽的两倍。


自零差是同样的技术,除了没有相位调制器将检测频率从零移开。缺点是很难适应频谱,因为射频分析仪在低频率有较差的响应,而且失去了低于零的一半频谱,所以很难适应。


所有频率将产生拍频,所以在测试时得到两倍激光线宽的拍音。自外差法能够将光谱信息从高光频率转移到能用电子学测量的频率。

 

用洛伦兹拟合的延迟自外差测量单模激光器的线宽:

该光谱的半最大值全宽度(FWHM)等于激光线宽的两倍。




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