测量超窄线宽激光器激光线宽的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光器激光线宽测量技术，尤其涉及一种测量超窄线宽激光器激 光线宽的方法。
【背景技术】
[0002] 本领域技术人员应该明白，激光线宽对探测系统的精度、灵敏度、探测距离以及探 测噪声等都有很大影响，为了保证探测系统的性能，在搭建探测系统时，需要对所用的激光 器的激光线宽值进行精确测定。
[0003] 现有技术中，能用于测定激光器激光线宽值的方法多种多样，常见的如高精度光 谱仪、扫描F-P干涉仪、自零差线宽探测和自外差线宽探测等;在现有技术条件下，采用前述 的第一种方法和第二种方法进行激光线宽值测定时，其精度只能达到MHz级别，而采用前述 的第三种方法和第四种方法以及延伸出的补偿自外差方法进行激光线宽值测定时，其精度 只能达到kHz级别。
[0004] 随着超窄线宽激光器技术的发展，激光线宽越来越窄，对于线宽在百Hz级别以下 的超窄线宽激光器，前述的第一种方法和第二种方法则完全不能适用，若用前述的第三种 和第四种方法对这种超窄线宽激光器的激光线宽值进行测定，需要使用几百公里长度的单 模光纤作为延迟光纤，然而由这么长的延迟光纤所产生的Ι/f噪声所形成的高斯型线宽能 达到数kHz级别，该噪声会把需要测定的激光线宽淹没掉，虽然可以采用Voigt拟合将洛仑 兹线型和高斯线型分开，但是Voigt拟合时已经取近似，再加上噪声所形成的高斯型线宽比 激光器本身的洛仑兹线宽高一个数量级，因此利用Voigt拟合是难以精确地测量出激光器 线宽的。
【发明内容】
[0005] 针对【背景技术】中的问题，本发明提出了一种测量超窄线宽激光器激光线宽的方 法，其创新在于:采用自外差探测系统，获取自外差条件下超窄线宽激光器的功率谱;在功 率谱上高尖峰脉冲以外的区域，选取位置相互邻近的一个波峰和一个波谷，分别计算出所 述波峰和所述波谷在功率谱上的对比度的差值A S，然后根据下式计算出激光线宽Δ f:
[0006] AS = 101ogi〇S(Fl, Δ f )-l〇l〇g10S(F2, Δ f)
[0007] 其中，FI为功率谱上所述波峰位置处的频谱仪探测频率，F2为功率谱上所述波谷 位置处的频谱仪探测频率；
[0008] 前式中，S(F1, Af) = Sl# · S2#，S(F2, Af)=Sl* · S2*;其中，S1#SF1 对应的洛仑兹 线型谱，S2#SF1对应的周期正弦调制谱，Sl$为F2对应的洛仑兹线型谱，S2$为F2对应的周期 正弦调制谱；
[0013] 其中，P〇为超窄线宽激光器的光功率;id为自外差探测系统中，延迟光纤的时延量 与声光调制器的时延量的差值;A1为F1与声光调制器中心频率的差值的绝对值;A2为F2与 声光调制器中心频率的差值的绝对值;具体实施时，由于声光调制器内的光路极短(一般在 1米左右），因此Td可直接取延迟光纤的时延量，即Td = L/c;
[0014] Al= |Fl-f I，A2= |F2-f I，其中，f即为自外差探测系统中声光调制器的中心频率；
[0015]
，η为自外差探测系统中延迟光纤的折射率，L为自外 差探测系统中延迟光纤的长度，c为光速。
[0016] 本发明的原理是：
[0017] 参见图1，图中示出了现有技术中一种典型的自外差探测系统，根据现有理论可 知，在自外差条件下采用图1中自外差探测系统对激光线宽进行检测时，激光器输出功率谱 的表达式可由下式示出：
[0018] S(F, Af)=si · S2+S3 (1)
[0019] 其中，F为频谱仪探测频率；Δ f为功率谱的半高全宽，也即激光器的激光线宽；SI 为F对应的洛仑兹线型谱;S2为F对应的周期正弦调制谱;S3为对应功率谱上高尖峰脉冲的 函数:本领域技术人员应该清楚，应用自外差探测系统时，功率谱上对应声光调制器中心频 率f的位置处存在一个高尖峰脉冲；
[0020] 根据现有理论，前述的S1、S2和S3可展开为如下3式：
[0024] 其中，A为F与声光调制器中心频率的差值的绝对值，A= |F_f | ;δ(Α)为用来反应高 尖峰脉冲特性的脉冲函数，当F = f时，δ(Α) = %，当F矣f时，δ(Α) =0 ;Ρο为激光器的光功率 (对应到超窄线宽激光器时，Ρο即为超窄线宽激光器的光功率）。
[0025] 发明人在研究过程中，对前述的自外差探测系统进行了第一次模拟仿真实验，实 验中，将激光线宽设定为100Hz，分别以延迟光纤长度为3km、5km、10km、50km、100km、1000km 和5000km作为变化条件，获取不同条件下激光器的归一化功率谱，将多个归一化功率谱叠 放后，即得图2,从图中可见，延迟光纤长度为3km时，相应包络线最为明显，延迟光纤长度为 5km时，相应包络线上的波峰和波谷变得较为密集，波峰和波谷的明显程度比3km时较差，随 着延迟光纤长度的增加，包络线上的波峰和波谷排列得越来越密集，波峰和波谷的明显程 度也逐渐变差，当延迟光纤长度达到100km以上时，人眼已经无法从包络线上识别出明显的 波峰和波谷了，延迟光纤长度达到5000km时，包络线的明显程度最差。
[0026] 在进行了前述模拟仿真实验后，发明人又进行了第二次模拟仿真实验:从第一次 模拟仿真实验的结论中可知，延迟光纤长度越短，包络线上的波峰和波谷就越明显，为了便 于对包络线的特性进行观察分析，本次模拟仿真实验中，将延迟光纤长度设定为3km，分别 以激光线宽为〇. 1kHz、0.4kHz、2kHz、10kHz和50kHz作为变化条件，获取不同条件下激光器 的归一化功率谱，将多个归一化功率谱叠放后，即得图3,从图中可见，激光线宽为0.1kHz 时，相应包络线上波峰和波谷之间的差异最为明显，随着激光线宽的增加，包络线上波峰和 波谷之间的差异逐渐缩小，当激光线宽达到50kHz，除包络线中部的高尖峰脉冲以外，已经 分辨不出其余波峰和波谷的差异了。
[0027] 第二次模拟仿真实验的结论说明：延迟光纤长度越短、激光线宽越窄时，包络线上 的波峰和波谷的差异越大，为了对超窄线宽激光器的包络线特性进行研究，发明人又以延 迟光纤长度小于l〇km、激光线宽小于200Hz为条件，进行了多次仿真试验(试验过程中，延迟 光纤长度在小于1 〇km的范围内变化，激光线宽在小于200Hz的范围内变化），并对每次仿真 试验得到的归一化功率谱进行了仔细分析;在分析时，发明人发现，当延迟光纤长度一定、 激光线宽一定时，功率谱中除高尖峰脉冲以外的区域上，相邻波峰和波谷之间的对比度差 值为一常量，并且此常量只与激光带宽有关(相邻波峰和波谷的对比度差值与激光带宽的 关系如图4所示），并且可由频谱仪直接读出，于是发明人想到，如果我们能够通过公式将前 述常量与激光线宽联系起来，就能在延迟光纤长度很短的条件下，实现超窄线宽的探测，从 而避免【背景技术】中所述的问题（即延迟光纤长度较大时，噪声会把需要测定的激光线宽淹 没掉）；
[0028] 基于前述思路，于是发明人又回过头来对现成的公式进行分析，公式（1)中的S3为 对应功率谱上高尖峰脉冲的函数，由于高尖峰脉冲存在不稳定性，无法获取到有效的对比 度，而在公式(4)中，用来反应高尖峰脉冲特性的脉冲函数δ(Α)在F矣f时等于0,那么在不考 虑高尖峰脉冲的条件下，公式(1)就能简化为：
[0029] S(F^f, Af)=Sl · S2 (5)
[0030] 再看一下S1和S2所对应的公式(2)和公式(3)，我们就会发现，公式(2)和公式(3) 中，除A f外，其余参数均为可以获取到的常量，那么只要将公式(5)与前述的"相邻波峰和 波谷的对比度差"联系起来，就能解决问题了；
[0031] 基于现有理论可知，频谱仪在计算不同探测频率位置处的对比度差时，其所依据 的数学模型为：
[0032] AS*=101ogioS(Fn, Δ f