[发明专利]一种激光器频率噪声测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种激光器频率噪声测量方法及系统，属于光学测量领域。本方法将待测激光器作为基于光梳调制器所构建的光电混合振荡器的光源，然后测量该光电混合振荡器中射频振荡信号的相位噪声；根据该相位噪声得到待测激光器的频率噪声；光电混合振荡器为一双环结构的光电混合振荡器。本方案通过测量射频振荡信号的相位噪声来间接测量激光器的频率噪声，因此能够区分激光器的频率噪声和强度噪声，且具有极高的测量灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种激光器频率噪声测量方法及系统。通过构建一个基于光梳调制器的光电混合振荡器，将待测激光器作为该光电振荡器的光源，在形成振荡的过程中，待测激光器的频率噪声将会转移到光电振荡器中射频振荡信号的相位噪声上去，再通过测量射频振荡信号的相位噪声可以得出待测激光器的频率噪声，属于光学测量领域。

背景技术

单频、窄线宽激光器是众多应用系统的关键部件，包括激光雷达、相干光通信系统、高精度的光学传感以及高稳定度的光学原子钟等。一般而言，激光器的线宽是通过测量其频率噪声的功率谱密度来衡量。近些年来，随着窄线宽激光器的发展，高灵敏度的窄线宽激光器频率噪声测量显得越来越重要。传统测量激光器频率噪声的方案主要包含四类：第一类是采用延时自拍频法；第二类是基于马赫-曾德调制器将激光器的频率噪声转移为激光功率抖动，从而获得待测激光器的频率噪声；第三类是采用光学谐振腔将激光器的频率噪声转化为光功率的抖动，然后测量得到激光器的频率噪声；第四类是将频率噪声极低的窄线宽激光器作为参考源，把待测激光器和参考激光器进行拍频，然后得到待测激光器的频率噪声。

以下是一些已有的激光器频率噪声的测量技术和方案：

方案1是文献D.Derickson,Fiber Optic Test and Measurement(Prentice-Hall,1998)所描述的测量方案。该方案利用一个延迟干涉仪，通过将待测激光器的信号进行延时，经过延时之后达到了延时信号和不延时信号的去相关操作，最后与待测激光器直接输出的光信号进行拍频，从而达到了测量激光器频率噪声的目的。

方案2是浙江大学申请的公开专利，公开号为CN 102183362。该方案通过采用马赫曾德干涉仪，完成对激光器的频率噪声到光强的转换，达到了测量激光器频率噪声的目的。

方案3是浙江大学申请的公开专利，公开号为CN 102692314A。该方案利用一个光纤谐振腔，将激光器的频率噪声转化为光场的幅度波动，从而达到了测量激光器频率噪声的目的。

方案4是2017年法国巴黎天文台提出的表征窄线宽激光器频率噪声的方案(X.Xie,R.Bouchand,D.Nicolodi,M.Lours,C.Alexandre,and Y.L.Coq,“Phase noisecharacterization of sub-hertz linewidth lasers via digital crosscorrelation,”Opt.Lett.42(7),1217-1220(2017).)。该方案采用了两个极窄线宽、极低频率噪声的单频激光器作为参考，将待测激光器分别与两个参考激光器进行拍频，通过测量拍频电信号的相位噪声，达到间接测量待测激光器的频率噪声的目的。

基于延迟干涉仪测量激光器频率噪声的方法在测量极窄线宽激光器时，需要长达几公里甚至几十公里量级的光纤作为延时线，由于长光纤的引入，造成极大的光损耗，并且长光纤的引入带来了不可避免的散射噪声，降低了频率噪声测量系统的灵敏度，并且这种方法并没有区分激光器的频率噪声和强度噪声；基于马赫曾德调制器的方案，受限于调制器的频率噪声到强度噪声转化系数较低的限制，难以实现更高灵敏度的激光器频率噪声测量；采用光纤谐振腔的方案，测量系统容易受到环境的干扰，降低了激光器频率噪声测量的稳定性；采用低频率噪声、高稳定度的参考激光器的方案，实现成本高，难以测量任意波长激光器的频率噪声。

发明内容