还在为线宽测量发愁吗？这里有你要的干货！

线宽是激光器的重要参数。激光起振后，会有一个或多个纵模产生，每个纵模的频率的范围就是激光的线宽。注意每个纵模的频率宽度和纵模之间的间隔是两个不同的概念，纵模间隔是相邻两个纵模中心频率的差值。激光线宽由谐振腔的品质因数决定，腔的品质因数越高，激光线宽就越窄。激光器的线宽有一个最小的下限，单色光的振幅、相位和频率的任何涨落都会产生有限的线宽。除了乘机nd 引起的 “技术噪音”之外，还有其他三种基本噪音源，即便是W美的稳定系统也不可能消除它们。这些噪音源在不同的程度上影响单模激光器的残余线宽。噪音的第一种贡献来自于激光上能级 Ei 中被激发原子的自发辐射。导致谱线展宽的第二种噪音来源是振荡模式中光子数目的统计涨落所引起的振幅涨落。残余激光线宽的主要来源是相位涨落。此外，共振腔的共振峰半高宽 Δvc 必然会影响激光线宽， 因为它决定了增益大于损耗的光谱间隔。对于半导体激光器其载流子浓度的变化还会产生光场附加相移从而引起驰豫振荡导致线宽展宽。当考虑了所有这些因素之后，可以得到激光线宽理论下限的著名的 Schwalow-Townes 关系：

一、普通线宽测量

激光线宽(FWHM)是一项重要指标，如何对其测量是非常重要的。普通光谱或激光线宽可由光谱仪或干涉仪测量。光谱分析仪的分辨率可以满足大于 0.02nm 的激光源线宽的测试，F-P 腔干涉仪的分辨率一般可以达到 10MHz。

二、窄线宽激光器线宽测量

窄线宽激光器的真实线宽是难以测量的，要检测千赫兹量级的单频激光器的线宽，目前常用拍频的方式将光域的高频信息转换成射频段（微波频段）的低频信息进行测量。通过频谱分析仪测量电频谱的３ｄＢ带宽，并根据谱形特征计算出光谱的线宽，即可以解决激光光谱在千赫兹量级的线宽测试分析问题。

对于窄线宽所有的测量方法均受限于有限的测量时间，及在这段时间内激光光源的线宽受到的由不同噪音源引起的频率抖动的影响，如泵浦激光器噪声、声学噪声、振动噪声等。以窄线宽激光器为例，测得的线宽可以看作是测量系统在积分时间内的技术噪声源造成的综合的频率抖动。

常用的混频法是光外差法。光外差法又分为双光束外差法和单激光器的延时自外差法。单激光器的延时自外差法包括了延时零拍自外差法和延时非零拍自外差法，这两种方法在近几年的窄线宽光纤激光器线宽测试中应用比较广泛。利用不同的测试方法，国内多家单位对激光器线宽测试进行了仔细研究。

2.1光外差原理

光外差法与电子学外差检测原理相似。两束波长相近的光波耦合到光探测器中混频从而产生中频电信号，所产生的中频电信号的频率由两束光的波长差决定，其幅度由两束光的场矢量内积决定。

2.1.1双激光器的双光束外差法

光外差法发展的早期是双激光器的双光束外差法，其需要两个激光器。一个激光器输出功率和波长要十分稳定，另一个激光器的波长在小范围内连续可调，并保证两束激光的波长差在很小范围内稳定、精密、连续可调，才能实现一定频率范围内的扫频测试。然而双光束外差法需要两个激光器，对激光器的频率、幅度等稳定性有十分苛刻的要求，实验系统复杂。

2.1.2单激光器的延时自外差法

延时自外差法的基本原理利用 Mach-Zehnder 型干涉仪把光的相位或频率噪声转换为强度噪声。将一路入射光分成两路，将其中一路光用光纤延时后，使两路光相拍，经光电转换，在频谱分析仪上得到相拍后的光电流谱线，从延时光电流谱线确定出激光器线宽。这种简单测量系统将工作在零拍状态，即参考光和测试光频率差为零，所得到的光电流谱线的中心频率为零频，也称为延时零拍自外差法。其优点是不使用声光调制器，使得光路系统变得简单，有利于仪器的小型化和集成化，节约了成本，同时也减小了传输光的功率损耗。但由于整个系统工作在零频附近，较容易引入由于周边环境引起的变动，如空气的微振动和温度的细微变化等因素带来的影响，使得整个仪器对环境的要求比较高。为了消除外界环境噪声对干涉仪的干扰，光纤马赫曾德尔（Ｍ－Ｚ）干涉仪可以采用全保偏结构，并置于一个声屏蔽盒内。为了更好地避免上述原因所引起的系统误差，发展出了延时非零拍自外差法。

延时非零拍外差法是通过调制光源或光路，使信号光和参考光产生一定的频率差，发生干涉后产生的拍频位于非零频的中频附近，避免周边环境对系统带来的低频干扰，从而降低系统误差、提高测量精度。通常有两种实现方案，其中之一调制光源，使得激光器的输出光波长为两个周期性变化的波长。调节方波的半周期恰好等于干涉仪引入的额外时延，两束频率差固定的光就保持同步，耦合到光探测器进行拍频，产生的拍频信号的中心频率可通过方波信号来调节。

调制光源由于是直接对光源进行调制，系统比较复杂，对实验精确性及成本的要求都很高，因此人们提出了调制光路改变光频的方案，这种方案在目前的各种测试中应用广泛。光源发出的光波经２×１光耦合器１ 分成两路，一路经过光纤延迟线，另一路经过声光移频器移频，两路光在２×１光耦合器２上进行干涉叠加。且假设半导体激光器的光谱为洛伦兹线型时,中频信号的半幅全宽是原激光器线宽的两倍,故可由观测到的拍频谱的f导出被测激光的线宽特性。

Toptica激光器延时非零拍外差法

综上所述，现阶段还没有一个简单快捷的线宽测试方法，往往都需要用户自己搭建系统，用户需要掌握大量的基础知识和实验经验，否则搭建出来的测试系统根本无法使用。那么是否有一种简单易用的线宽测试系统呢？目前对于普通线宽测量HighFinesse可以提供两种不同的线宽测试方案：1. 基于斐昨干涉仪的线宽选项L- Option；2.线宽分析仪。

1. HighFinesse波长计和线宽选项 L- Option

L- Option选项是通过软件对线宽进行估算，它通过一种特殊的算法，避免了干涉仪的响应速度偏慢。这种算法能够使线宽测量的估算好于干涉仪分辨率的几倍，同时，它也可用于测量多模激光器带有边带的激光器（只有纵模之间的间距小于300MHz才可测量）。任何已经购买的波长计都可以升级此选项（此选项要求使用单模光纤）。

2. HighFinesse 线宽分析仪（LWA）

Time trace of frequency deviations

Frequency noise spectrum

Lineshape spectrum

HighFinesse 线宽分析仪（LWA）是一款专业的g端的激光线宽、线型分析设备，它基于法布里-珀luo**干涉仪原理制造，是进行激光光谱分析的B二选择。LWA拥有多种型号，波长测量范围可从紫外到近红外(380-1700nm)，能覆盖大部分光学光谱范围， 依据不同型号线宽测量范围2KHz-300MHz，采样率30MSa/s，最高线宽精度20KHz。

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