測(cè)量超窄線寬激光器激光線寬的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光器激光線寬測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種測(cè)量超窄線寬激光器激 光線寬的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，激光線寬對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的精度、靈敏度、探測(cè)距離以及探 測(cè)噪聲等都有很大影響，為了保證探測(cè)系統(tǒng)的性能，在搭建探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)所用的激光 器的激光線寬值進(jìn)行精確測(cè)定。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，能用于測(cè)定激光器激光線寬值的方法多種多樣，常見(jiàn)的如高精度光 譜儀、掃描F-P干涉儀、自零差線寬探測(cè)和自外差線寬探測(cè)等;在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用前述 的第一種方法和第二種方法進(jìn)行激光線寬值測(cè)定時(shí)，其精度只能達(dá)到MHz級(jí)別，而采用前述 的第三種方法和第四種方法以及延伸出的補(bǔ)償自外差方法進(jìn)行激光線寬值測(cè)定時(shí)，其精度 只能達(dá)到kHz級(jí)別。
[0004] 隨著超窄線寬激光器技術(shù)的發(fā)展，激光線寬越來(lái)越窄，對(duì)于線寬在百Hz級(jí)別以下 的超窄線寬激光器，前述的第一種方法和第二種方法則完全不能適用，若用前述的第三種 和第四種方法對(duì)這種超窄線寬激光器的激光線寬值進(jìn)行測(cè)定，需要使用幾百公里長(zhǎng)度的單 模光纖作為延遲光纖，然而由這么長(zhǎng)的延遲光纖所產(chǎn)生的Ι/f噪聲所形成的高斯型線寬能 達(dá)到數(shù)kHz級(jí)別，該噪聲會(huì)把需要測(cè)定的激光線寬淹沒(méi)掉，雖然可以采用Voigt擬合將洛侖 茲線型和高斯線型分開(kāi)，但是Voigt擬合時(shí)已經(jīng)取近似，再加上噪聲所形成的高斯型線寬比 激光器本身的洛侖茲線寬高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此利用Voigt擬合是難以精確地測(cè)量出激光器 線寬的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)【背景技術(shù)】中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種測(cè)量超窄線寬激光器激光線寬的方 法，其創(chuàng)新在于:采用自外差探測(cè)系統(tǒng)，獲取自外差條件下超窄線寬激光器的功率譜;在功 率譜上高尖峰脈沖以外的區(qū)域，選取位置相互鄰近的一個(gè)波峰和一個(gè)波谷，分別計(jì)算出所 述波峰和所述波谷在功率譜上的對(duì)比度的差值A(chǔ) S，然后根據(jù)下式計(jì)算出激光線寬Δ f:
[0006] AS = 101ogi〇S(Fl, Δ f )-l〇l〇g10S(F2, Δ f)
[0007] 其中，F(xiàn)I為功率譜上所述波峰位置處的頻譜儀探測(cè)頻率，F(xiàn)2為功率譜上所述波谷 位置處的頻譜儀探測(cè)頻率；
[0008] 前式中，S(F1, Af) = Sl# · S2#，S(F2, Af)=Sl* · S2*;其中，S1#SF1 對(duì)應(yīng)的洛侖茲 線型譜，S2#SF1對(duì)應(yīng)的周期正弦調(diào)制譜，Sl$為F2對(duì)應(yīng)的洛侖茲線型譜，S2$為F2對(duì)應(yīng)的周期 正弦調(diào)制譜；

[0013] 其中，P〇為超窄線寬激光器的光功率;id為自外差探測(cè)系統(tǒng)中，延遲光纖的時(shí)延量 與聲光調(diào)制器的時(shí)延量的差值;A1為F1與聲光調(diào)制器中心頻率的差值的絕對(duì)值;A2為F2與 聲光調(diào)制器中心頻率的差值的絕對(duì)值;具體實(shí)施時(shí)，由于聲光調(diào)制器內(nèi)的光路極短(一般在 1米左右），因此Td可直接取延遲光纖的時(shí)延量，即Td = L/c;
[0014] Al= |Fl-f I，A2= |F2-f I，其中，f即為自外差探測(cè)系統(tǒng)中聲光調(diào)制器的中心頻率；
[0015]
，η為自外差探測(cè)系統(tǒng)中延遲光纖的折射率，L為自外 差探測(cè)系統(tǒng)中延遲光纖的長(zhǎng)度，c為光速。
[0016] 本發(fā)明的原理是：
[0017] 參見(jiàn)圖1，圖中示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的自外差探測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)有理論可 知，在自外差條件下采用圖1中自外差探測(cè)系統(tǒng)對(duì)激光線寬進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，激光器輸出功率譜 的表達(dá)式可由下式示出：
[0018] S(F, Af)=si · S2+S3 (1)
[0019] 其中，F(xiàn)為頻譜儀探測(cè)頻率；Δ f為功率譜的半高全寬，也即激光器的激光線寬；SI 為F對(duì)應(yīng)的洛侖茲線型譜;S2為F對(duì)應(yīng)的周期正弦調(diào)制譜;S3為對(duì)應(yīng)功率譜上高尖峰脈沖的 函數(shù):本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，應(yīng)用自外差探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，功率譜上對(duì)應(yīng)聲光調(diào)制器中心頻 率f的位置處存在一個(gè)高尖峰脈沖；
[0020] 根據(jù)現(xiàn)有理論，前述的S1、S2和S3可展開(kāi)為如下3式：
[0024] 其中，A為F與聲光調(diào)制器中心頻率的差值的絕對(duì)值，A= |F_f | ;δ(Α)為用來(lái)反應(yīng)高 尖峰脈沖特性的脈沖函數(shù)，當(dāng)F = f時(shí)，δ(Α) = %，當(dāng)F矣f時(shí)，δ(Α) =0 ;Ρο為激光器的光功率 (對(duì)應(yīng)到超窄線寬激光器時(shí)，Ρο即為超窄線寬激光器的光功率）。
[0025] 發(fā)明人在研究過(guò)程中，對(duì)前述的自外差探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了第一次模擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí) 驗(yàn)中，將激光線寬設(shè)定為100Hz，分別以延遲光纖長(zhǎng)度為3km、5km、10km、50km、100km、1000km 和5000km作為變化條件，獲取不同條件下激光器的歸一化功率譜，將多個(gè)歸一化功率譜疊 放后，即得圖2,從圖中可見(jiàn)，延遲光纖長(zhǎng)度為3km時(shí)，相應(yīng)包絡(luò)線最為明顯，延遲光纖長(zhǎng)度為 5km時(shí)，相應(yīng)包絡(luò)線上的波峰和波谷變得較為密集，波峰和波谷的明顯程度比3km時(shí)較差，隨 著延遲光纖長(zhǎng)度的增加，包絡(luò)線上的波峰和波谷排列得越來(lái)越密集，波峰和波谷的明顯程 度也逐漸變差，當(dāng)延遲光纖長(zhǎng)度達(dá)到100km以上時(shí)，人眼已經(jīng)無(wú)法從包絡(luò)線上識(shí)別出明顯的 波峰和波谷了，延遲光纖長(zhǎng)度達(dá)到5000km時(shí)，包絡(luò)線的明顯程度最差。
[0026] 在進(jìn)行了前述模擬仿真實(shí)驗(yàn)后，發(fā)明人又進(jìn)行了第二次模擬仿真實(shí)驗(yàn):從第一次 模擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)論中可知，延遲光纖長(zhǎng)度越短，包絡(luò)線上的波峰和波谷就越明顯，為了便 于對(duì)包絡(luò)線的特性進(jìn)行觀察分析，本次模擬仿真實(shí)驗(yàn)中，將延遲光纖長(zhǎng)度設(shè)定為3km，分別 以激光線寬為〇. 1kHz、0.4kHz、2kHz、10kHz和50kHz作為變化條件，獲取不同條件下激光器 的歸一化功率譜，將多個(gè)歸一化功率譜疊放后，即得圖3,從圖中可見(jiàn)，激光線寬為0.1kHz 時(shí)，相應(yīng)包絡(luò)線上波峰和波谷之間的差異最為明顯，隨著激光線寬的增加，包絡(luò)線上波峰和 波谷之間的差異逐漸縮小，當(dāng)激光線寬達(dá)到50kHz，除包絡(luò)線中部的高尖峰脈沖以外，已經(jīng) 分辨不出其余波峰和波谷的差異了。
[0027] 第二次模擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)論說(shuō)明：延遲光纖長(zhǎng)度越短、激光線寬越窄時(shí)，包絡(luò)線上 的波峰和波谷的差異越大，為了對(duì)超窄線寬激光器的包絡(luò)線特性進(jìn)行研究，發(fā)明人又以延 遲光纖長(zhǎng)度小于l〇km、激光線寬小于200Hz為條件，進(jìn)行了多次仿真試驗(yàn)(試驗(yàn)過(guò)程中，延遲 光纖長(zhǎng)度在小于1 〇km的范圍內(nèi)變化，激光線寬在小于200Hz的范圍內(nèi)變化），并對(duì)每次仿真 試驗(yàn)得到的歸一化功率譜進(jìn)行了仔細(xì)分析;在分析時(shí)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)延遲光纖長(zhǎng)度一定、 激光線寬一定時(shí)，功率譜中除高尖峰脈沖以外的區(qū)域上，相鄰波峰和波谷之間的對(duì)比度差 值為一常量，并且此常量只與激光帶寬有關(guān)(相鄰波峰和波谷的對(duì)比度差值與激光帶寬的 關(guān)系如圖4所示），并且可由頻譜儀直接讀出，于是發(fā)明人想到，如果我們能夠通過(guò)公式將前 述常量與激光線寬聯(lián)系起來(lái)，就能在延遲光纖長(zhǎng)度很短的條件下，實(shí)現(xiàn)超窄線寬的探測(cè)，從 而避免【背景技術(shù)】中所述的問(wèn)題（即延遲光纖長(zhǎng)度較大時(shí)，噪聲會(huì)把需要測(cè)定的激光線寬淹 沒(méi)掉）；
[0028] 基于前述思路，于是發(fā)明人又回過(guò)頭來(lái)對(duì)現(xiàn)成的公式進(jìn)行分析，公式（1)中的S3為 對(duì)應(yīng)功率譜上高尖峰脈沖的函數(shù)，由于高尖峰脈沖存在不穩(wěn)定性，無(wú)法獲取到有效的對(duì)比 度，而在公式(4)中，用來(lái)反應(yīng)高尖峰脈沖特性的脈沖函數(shù)δ(Α)在F矣f時(shí)等于0,那么在不考 慮高尖峰脈沖的條件下，公式(1)就能簡(jiǎn)化為：
[0029] S(F^f, Af)=Sl · S2 (5)
[0030] 再看一下S1和S2所對(duì)應(yīng)的公式(2)和公式(3)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，公式(2)和公式(3) 中，除A f外，其余參數(shù)均為可以獲取到的常量，那么只要將公式(5)與前述的"相鄰波峰和 波谷的對(duì)比度差"聯(lián)系起來(lái)，就能解決問(wèn)題了；
[0031] 基于現(xiàn)有理論可知，頻譜儀在計(jì)算不同探測(cè)頻率位置處的對(duì)比度差時(shí)，其所依據(jù) 的數(shù)學(xué)模型為：
[0032] AS*=101ogioS(Fn, Δ f