北航17系激光线宽测试技术研究指导书.doc

激光线宽测试技术研究一、实验目的1. 了解频谱仪以及探测器的使用2. 掌握延迟外插法测量窄线宽激光的基本原理3. 熟悉延迟外插法测量窄线宽激光的方法二、基本原理延迟自外差测谱法的典型分辨率为KHz量级，窄线宽激光器线宽测量技术中，这种线宽测量方法应用最为广泛。延迟自外差法/零差法的基本原理是利用 Mach-Zehnder 型干涉仪把光的相位或频率噪声转换为强度噪声。其关键是把被测激光器的一部分输出光因为本地振荡，从延迟的和非延迟的激光光波之间的 RF（声光调制器所加的射频）拍频/零拍频信号确定出激光器的线宽，基本系统框图如图1 所示。图1延迟自外差/自零差测谱法的装置示意图1单模激光器的量子相位噪声 单模激光器可认为是一个振幅稳定，相位有扰动的准单色电磁场 1式中E0为振幅，0为电磁场的中心频率，(t)代表相位的随机波动，它导致谱线展宽。 引入光场的自相关函数： 2(t,)是相位抖动，表示的从时间t到t +随机相位的变化。 3大多数情况下，该相位的随机变化可以假设为零均值的平稳高斯随机过程，其概率密度函数可以表示为： 4是相位抖动的均方，与瞬时角频率波动谱S()相关，可以表示为： 5根据文献10，利用众所周知的关系式： 6因此激光场的相关函数可以表示为： 7考虑激光器工作于阈值以上量子相位噪声的影响，瞬时角频率波动谱S()可以看成是平坦的，因此可以看作是随延迟时间线性变化的，即： 8这里2是（3-8）式傅立叶变换后得到的激光场光谱SE()的半高全宽（FWHM），对（3-8）作傅立叶变换可得： 92可以由 Schawlow-Townes 公式给出： 10g 是增益介质中光的群速度，h是光子能量，nsp代表自发辐射因子，m是腔镜的损耗， 是线宽的修正因子。2光电流的频谱函数当延迟的和未延迟的光波从第二个耦合器混和输出时，其合成场可以表示为： 11式中 代表两束光之间的分光振幅比，0代表光纤延时线所产生的延时时间，对于延迟自外差法，代表声光调制器所加的射频频率，而对于延时零差法= 0。由于光电探测器的平方率，其E(t)中相位的随机波动将转化为强度噪声，反映为光电流的频谱展宽，为了将光电流的频谱与单模激光线宽相联系，这里引进了光电流自相关函数RI(t)，对于稳定光场，它取决于（12）式所决定的总合成场的强度相关函数，如下式： 12这里e是电子电荷，为光电探测器灵敏度，()就是 Dirac 函数，G(2)ET 为第一阶光电流强度相关函数，定义为： 132.1延迟自零差法（=0）把（12）式中的= 0，然后带入（14）即可得到延迟自零差法光电流的自相关函数，展开之后共有 16 项，根据（2）式，经过推导之后可得： 14 15CC 表示的是前一项的共轭函数，利用（7）式，可以进一步化为：对于激光器，相位噪声可以由（4-8）式表示，定义 ， G(2)ET 可以表示为： 16根据 Wiener-Khintchine 公式，通过对自相关函数进行傅立叶变换即可得到光电流的谱密度，忽略拍频噪声项，并且令，可得： 172.2延迟自外差法（0）根据前面延迟自零差法的分析，把（12）式带入（14），考虑exp(jt)的影响，可以得到： 18 (t) 的表达式与（16）式一样。根据（7）式，可以写为： 19与前面分析作同样的简化，可以得到： 20 213.光纤延迟线长度对测量的影响图2延迟自外差测谱系统中光场的混频当光纤延迟线无限长时，（17）和（21）式可以简化为： 22 23上两式中的第二项表现为准 Lorentz 线形，其半高全宽（FWHM）为4，是被测线宽的两倍如图2，只是相比零差法，延迟自外差法将光频谱搬移到声频上。因此只要通过测量光电流的谱宽，便可准确推知激光器的线宽，这就是延时自外差法/零差法测谱的工作原理。四、实验仪器单频激光器、耦合器、延迟线、声光移频器、探测器、频谱分析仪五、实验步骤实验装置如图1所示。它是把激光输出光束分成两路，一路通过光纤延时，另一路通过声光移频器移频；然后，把两路光入射到PIN光电探测器上进行混频，混频产生的射频信号在频谱分析仪观测，利用观测出的3dB带宽除以2就是所需要的激光器线宽，这就是延迟自外差测谱法的工作原理。具体步骤如下：a) 丹麦KONERAS公司ADJUSTIK系列窄线宽光纤激光器（Model:TRAdC15PztSPm，输出功率可调）发射出激光；b) 先利用型号为FPM-8200的功率计测出激光器输出功率；c) 再通过1550nm波段的12单模3dB耦合器把激光分成两路，一路经过25km单模1550nm波段光纤延迟线（标称损耗0.188254.7dB）延时，另一路经过经过Brimrose公司型号为AMF-55-1550-2FP(+)的声光移频器移频55兆；d) 之后通过第二个单模3dB耦合器使两路光相拍；此时必须再测量一次光功率，以免超过PIN光电探测器的最高输入光功率；e) 在小于PIN的最高输入光功率情况下，使相拍光进入型