窄线宽激光器的线宽，相位噪声，频率噪声及相对强度噪声的测量

　　激光器的线宽，尤其是单频激光器的线宽，是指光谱的宽度（通常为半高全宽FWHM），激光器的线宽与时间相干性关系很紧密，由相干长度和相干时间来表征。相干长度指的是同一光源分出的两束光发生干涉时的最大光程差，相干时间则是光通过相干长度所需的时间。线宽越窄，相干性越好，激光器的线宽通常会用频率Hz或长度nm来表示，线宽（Δf或Δλ）和相干长度ΔL的计算可参考以下公式：

（1）Δf=c *Δλ/λ²

（2）ΔL=c/Δf 或 ΔL=λ²/Δλ

其中：c为光速，λ为激光器的中心波长，Δf为Hz表示的线宽，Δλ为nm表示的线宽。

窄线宽激光器就是指辐射光谱很窄的单频激光器，相位噪声也很低，因此光谱纯度很高，通常这类激光器的强度噪声也很低。常见的窄线宽激光器有半导体激光器，DFB激光器和DBR激光器，波长都是在1500nm或1000nm区域，典型的技术参数为输出功率为几十毫瓦（有时大于100毫瓦），线宽为几MHz。半导体激光器的线宽可能更窄，可以实现几kHz甚至小于1kHz的超窄线宽。DFB激光器可以产生几十毫瓦的输出功率，线宽为几kHz范围。采用非平面环形谐振腔的二极管泵浦固态体激光器也可以得到几kHz的线宽，同时输出功率相对较高，在1W量级，波长主要为1064nm，1300nm或者1500nm也可以实现。

　　窄线宽激光器的线宽值并不是其性能的全部，我们还需要了解其完整的噪声光谱，包括相位噪声，频率噪声和强度噪声（振幅噪声）等。单频激光器输出的并不是严格的单色光，还存在相位噪声。这导致激光器的输出具有有限的线宽。相位噪声和频率噪声是描述相同现象的不同方法。但是在技术上对频率噪声进行数值处理比采用相位噪声要有优势。频率噪声与相位噪声有直接关系，频率噪声是指瞬时频率噪声，而相位噪声则与相位对时间的导数有关。相位噪声可导致激光器出现连续频移，相位跳变，或者二者的结合。强度噪声通常用相对强度噪声来定量表示，也就是功率噪声与平均功率的比值。有时强度噪声也会与相位噪声通过非线性相互作用而产生相互耦合。

　　窄线宽激光器应用于很多领域，例如，作为各种光纤传感器、光谱学、相干光纤通讯的光源，或者用于测试和测量。窄线宽激光器一个很重要的应用就是在传感领域，例如压力或者温度光纤传感器，各种干涉仪传感，利用不同的吸收LIDAR来探测追踪气体，采用多普勒LIDAR测量风速，有些光纤传感器需要激光器的线宽为几kHz。而在光学频率测量应用中，对激光器的线宽要求则更高。

激光器的线宽测量：

1、线宽比较大时（>10 GHz），采用传统的衍射光栅光谱分析仪就可以测量，但是这种方法很难得到较高的频率分辨率。另一种方法是采用频率鉴别器将频率涨落转化为强度涨落，鉴别器可以是不平衡的干涉仪或者高精度的参考腔，但是这种测量方法的分辨率也很有限。

2、单频激光器的线宽测量通常采用自外差法，是记录激光器输出与经过频率偏移和延迟的自身之间的拍频。但是当激光器线宽只有几百赫兹时，传统的自外差技术是不实际的，因为这时需要很大的延迟长度。可以通过记录两个独立激光器的拍频得到非常高的分辨率，这时参考激光器的噪声要远小于测试激光器，或者二者的性能指标相近。

　　美国OEwaves公司的线宽和噪声自动测量系统OE4000采用零差法，可以自动测量超窄线宽激光器的线宽，相位噪声，频率噪声和相对强度噪声（RIN），无需另外配置低噪声参考激光源。该系统操作简单，使用预置分析软件的笔记本电脑，就能够快速测定洛伦兹线宽<100Hz的激光器，波长范围除了标准的C波段，还有多个波段可供选择。