測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量技術(shù)，尤其涉及一種測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，激光線寬對探測系統(tǒng)的精度、靈敏度、探測距離以及探 測噪聲等都有很大影響，為了保證探測系統(tǒng)的性能，在搭建探測系統(tǒng)時，需要對所用的激光 器的激光線寬值進行精確測定。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，能用于測定激光器激光線寬值的方法多種多樣，常見的如高精度光 譜儀、掃描F-P干涉儀、自零差線寬探測和自外差線寬探測等;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行激光線寬值測定時，其精度只能達到MHz級別，而采用前述 的第三種方法和第四種方法以及延伸出的補償自外差方法進行激光線寬值測定時，其精度 只能達到kHz級別。
[0004] 隨著超窄線寬激光器技術(shù)的發(fā)展，激光線寬越來越窄，對于線寬在百Hz級別以下 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 和第四種方法對這種超窄線寬激光器的激光線寬值進行測定，需要使用幾百公里長度的單 模光纖作為延遲光纖，然而由這么長的延遲光纖所產(chǎn)生的Ι/f噪聲所形成的高斯型線寬能 達到數(shù)kHz級別，該噪聲會把需要測定的激光線寬淹沒掉，雖然可以采用Voigt擬合將洛侖 茲線型和高斯線型分開，但是Voigt擬合時已經(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數(shù)量級，因此利用Voigt擬合是難以精確地測量出激光器 線寬的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種測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波峰和一個波谷，分別計算出所 述波峰和所述波谷在功率譜上的對比度的差值A(chǔ) S，然后根據(jù)下式計算出激光線寬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頻率，F(xiàn)2為功率譜上所述波谷 位置處的頻譜儀探測頻率；
[0008] 前式中，S(F1, Af) = Sl# · S2#，S(F2, Af)=Sl* · S2*;其中，S1#SF1 對應(yīng)的洛侖茲 線型譜，S2#SF1對應(yīng)的周期正弦調(diào)制譜，Sl$為F2對應(yīng)的洛侖茲線型譜，S2$為F2對應(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為自外差探測系統(tǒng)中，延遲光纖的時延量 與聲光調(diào)制器的時延量的差值;A1為F1與聲光調(diào)制器中心頻率的差值的絕對值;A2為F2與 聲光調(diào)制器中心頻率的差值的絕對值;具體實施時，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即為自外差探測系統(tǒng)中聲光調(diào)制器的中心頻率；
[0015]
，η為自外差探測系統(tǒng)中延遲光纖的折射率，L為自外 差探測系統(tǒng)中延遲光纖的長度，c為光速。
[0016] 本發(fā)明的原理是：
[0017] 參見圖1，圖中示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的自外差探測系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)有理論可 知，在自外差條件下采用圖1中自外差探測系統(tǒng)對激光線寬進行檢測時，激光器輸出功率譜 的表達式可由下式示出：
[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對應(yīng)的洛侖茲線型譜;S2為F對應(yīng)的周期正弦調(diào)制譜;S3為對應(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)用自外差探測系統(tǒng)時，功率譜上對應(yīng)聲光調(diào)制器中心頻 率f的位置處存在一個高尖峰脈沖；
[0020] 根據(jù)現(xiàn)有理論，前述的S1、S2和S3可展開為如下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值，A= |F_f | ;δ(Α)為用來反應(yīng)高 尖峰脈沖特性的脈沖函數(shù)，當F = f時，δ(Α) = %，當F矣f時，δ(Α) =0 ;Ρο為激光器的光功率 (對應(yīng)到超窄線寬激光器時，Ρο即為超窄線寬激光器的光功率）。
[0025] 發(fā)明人在研究過程中，對前述的自外差探測系統(tǒng)進行了第一次模擬仿真實驗，實 驗中，將激光線寬設(shè)定為100Hz，分別以延遲光纖長度為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，將多個歸一化功率譜疊 放后，即得圖2,從圖中可見，延遲光纖長度為3km時，相應(yīng)包絡(luò)線最為明顯，延遲光纖長度為 5km時，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時較差，隨 著延遲光纖長度的增加，包絡(luò)線上的波峰和波谷排列得越來越密集，波峰和波谷的明顯程 度也逐漸變差，當延遲光纖長度達到100km以上時，人眼已經(jīng)無法從包絡(luò)線上識別出明顯的 波峰和波谷了，延遲光纖長度達到5000km時，包絡(luò)線的明顯程度最差。
[0026] 在進行了前述模擬仿真實驗后，發(fā)明人又進行了第二次模擬仿真實驗:從第一次 模擬仿真實驗的結(jié)論中可知，延遲光纖長度越短，包絡(luò)線上的波峰和波谷就越明顯，為了便 于對包絡(luò)線的特性進行觀察分析，本次模擬仿真實驗中，將延遲光纖長度設(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，將多個歸一化功率譜疊放后，即得圖3,從圖中可見，激光線寬為0.1kHz 時，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，當激光線寬達到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] 第二次模擬仿真實驗的結(jié)論說明：延遲光纖長度越短、激光線寬越窄時，包絡(luò)線上 的波峰和波谷的差異越大，為了對超窄線寬激光器的包絡(luò)線特性進行研究，發(fā)明人又以延 遲光纖長度小于l〇km、激光線寬小于200Hz為條件，進行了多次仿真試驗(試驗過程中，延遲 光纖長度在小于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），并對每次仿真 試驗得到的歸一化功率譜進行了仔細分析;在分析時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當延遲光纖長度一定、 激光線寬一定時，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，如果我們能夠通過公式將前 述常量與激光線寬聯(lián)系起來，就能在延遲光纖長度很短的條件下，實現(xiàn)超窄線寬的探測，從 而避免【背景技術(shù)】中所述的問題（即延遲光纖長度較大時，噪聲會把需要測定的激光線寬淹 沒掉）；
[0028] 基于前述思路，于是發(fā)明人又回過頭來對現(xiàn)成的公式進行分析，公式（1)中的S3為 對應(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，無法獲取到有效的對比 度，而在公式(4)中，用來反應(yīng)高尖峰脈沖特性的脈沖函數(shù)δ(Α)在F矣f時等于0,那么在不考 慮高尖峰脈沖的條件下，公式(1)就能簡化為：
[0029] S(F^f, Af)=Sl · S2 (5)
[0030] 再看一下S1和S2所對應(yīng)的公式(2)和公式(3)，我們就會發(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 波谷的對比度差"聯(lián)系起來，就能解決問題了；
[0031] 基于現(xiàn)有理論可知，頻譜儀在計算不同探測頻率位置處的對比度差時，其所依據(jù) 的數(shù)學模型為：
[0032] AS*=101ogioS(Fn, Δ f