[发明专利]一种激光线宽测量方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及激光线宽测量技术，尤其是一种激光线宽测量方法和设备。

背景技术

激光以其具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，作为光源广泛应用于各个领域。而激光以上特点均可以归结为其具有相对于其他光源的卓越的窄线宽、相干性好的特点，因此输出的激光线宽成为评价激光器的重要指标之一。

目前通常采用的测量激光线宽的方法有以下几种：

(1)拍频测量法

探测两台激光器的拍频信号，经频谱分析仪(spectrum analyzer，以下简称：SA)或动态信号分析仪(FFT)测量出拍频信号线宽，如图1所示。两台激光器Laser1、Laser2发出的激光通过分光棱镜(BS)进行合束后，通过高速探测器(Det)进行探测，并将探测得到的拍频信号送入频谱分析仪或动态信号分析仪中进行测量，获得拍频信号线宽。

这种方法可以采用两台结构、器件相同，相互独立的激光器合束后经探测器探测，此时，单台激光器线宽是得到的拍频信号线宽的√2/2倍。或者采用一台已知线宽，且线宽远小于待测激光线宽的激光器与待测线宽的激光器进行拍频，此时，测量得到的拍频信号线宽即待测激光器线宽。

通过拍频测量法测量待测激光器线宽时，由于进行拍频的两台激光器相对独立，受到气流、机械震动和温度等因素影响，造成输出激光中心频率的漂移，从而导致拍频信号中心频率不稳定。而为了准确测量窄线宽激光器的线宽，也即：窄线宽激光器输出的激光线宽，需要将频谱分析仪或动态信号分析仪的扫描范围设定在一个较小的范围内以便准确测量，激光线宽越窄，需要设定的扫描范围越小。这就需要激光器具有很好的频率稳定性，兆赫量级甚至是千赫量级的抖动都可能导致拍频信号超出频谱分析仪或动态信号分析仪的扫描、测量范围。对于两台自由运转、没有进行频率锁定的激光器而言，其中心频率的漂移和抖动使拍频信号很难在很小的扫描范围内被稳定捕捉，甚至信号的瞬态捕捉也很困难。

因此在对窄线宽激光器进行线宽测量时，通常采用通过频谱分析仪或动态信号分析仪采集单次触发频谱数据进行数据处理的方法，得到单次触发频谱数据，经过多次平均和数据拟合等数据处理得到激光线宽。而进行拍频的两台激光器输出激光的中心频率抖动和漂移对这种抓图的方法制造了困难，有时需要多次抓图才能得到结果。此外，对几次图像的数据处理也相对麻烦。

(2)频率-电压变换(Frequency-voltage converter)法

如图2所示，两台激光器，即：主激光器(Maser laser)与从激光器(Slave laser)，发出的激光通过分光棱镜进行合束，所形成的拍频信号与稳定信号f_RF在频率相位探测器(Frequency-Phase-Detertor)中进行鉴频鉴相，经伺服系统将误差信号反馈到从激光器(Slave laser)的频率控制器件上，如压电陶瓷(PZT)或者激光器驱动电流等，从而实现将一台激光器(从激光器Slave laser)的频率锁定在主激光器(Maser laser)上，可得到稳定的拍频信号。图2中，AOM为声光调制器，A为放大器，tracking Osc.为跟随振荡器，VCO为压控振荡器，INT为积分器，+为加法器，Spectrum analyzer为频谱分析仪、counter为计数器。其中的伺服系统包括两个积分器。

采用频率-电压变换的方式将两台激光器进行相对频率锁定，是避免进行拍频的两台激光器输出激光相对频率漂移的目前比较公认的方法。但是，这种测量方法需要采用较复杂的电路系统，将频率误差通过伺服系统反馈到从激光器上，对反馈锁定系统(包括伺服系统与频率控制器件)要求较高。反馈锁定系统带宽太宽，将影响所测的实际激光线宽的准确性，这是因为当伺服系统带宽过宽时，两台激光器输出的激光可能部分相干甚至相干，当相干时得到的拍频信号线宽表现为δ函数，而不是真实的激光线宽。反馈锁定系统带宽太窄，又增加了频率锁定的难度。

(3)延时自外差法(delayed self-heterodyne)