[发明专利]测量超窄线宽激光器激光线宽的方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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1/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

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ΔS，然后根据下式计算出激光线宽Δf：

ΔS＝10log₁₀S(F1,Δf)-10log₁₀S(F2,Δf)

其中，F1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；

前式中，S(F1,Δf)＝S1^#·S2^#，S(F2,Δf)＝S1^*·S2^*；其中，S1^#为F1对应的洛仑兹线型谱，S2^#为F1对应的周期正弦调制谱，S1^*为F2对应的洛仑兹线型谱，S2^*为F2对应的周期正弦调制谱；

其中，P₀为超窄线宽激光器的光功率；τ_d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τ_d可直接取延迟光纤的时延量，即τ_d＝L/c；

A1＝|F1-f|，A2＝|F2-f|，其中，f即为自外差探测系统中声光调制器的中心频率；

n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。

本发明的原理是：

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：

S(F,Δf)＝S1·S2+S3(1)

其中，F为频谱仪探测频率；Δf为功率谱的半高全宽，也即激光器的激光线宽；S1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；

根据现有理论，前述的S1、S2和S3可展开为如下3式：

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(A)为用来反应高尖峰脉冲特性的脉冲函数，当F＝f时，δ(A)＝∞，当F≠f时，δ(A)＝0；P₀为激光器的光功率(对应到超窄线宽激光器时，P₀即为超窄线宽激光器的光功率)。