一文详解窄线宽激光器

00引言

许多激光应用（见下文）需要具有非常小的光学线宽，即具有窄光谱的激光器。术语窄线宽激光器通常适用于单频激光器，即在具有低相位噪声和高光谱纯度的单谐振腔模式上振荡的激光器。通常，此类激光器还表现出低强度噪声。

01窄线宽激光器的种类

最重要的窄线宽激光器类型如下：

在半导体激光器中，分布式反馈激光二极管（DFB 激光器）和分布式布拉格反射激光器（DBR 激光器），例如工作在 在 1.5- 或 1.0-μm 波长范围内，是最常见的。典型的操作特性是几十毫瓦（或可能略高于 100 毫瓦）的输出功率和几兆赫兹的线宽。

来自半导体激光器的明显更小的线宽是可能的，例如 通过使用包含窄带宽光纤布拉格光栅的单模光纤或其他类型的外腔二极管激光器来扩展谐振器。通过这种方式，可以实现几千赫兹甚至低于 1 kHz 的超窄线宽。

分布式反馈激光器形式的小型光纤激光器（谐振腔主要由特殊的光纤布拉格光栅形成）可以产生数十毫瓦的输出功率，线宽在几千赫兹左右。

使用更长的分布式布拉格反射激光器（DBR 光纤激光器）或单向光纤环形激光器以及使用光纤放大器可以产生更高的输出功率。

二极管泵浦固态体激光器，例如 以非平面环形振荡器的形式，也可以具有几千赫兹的线宽，结合 1 W 数量级的相对较高的输出功率。虽然 1064 纳米波长是典型的，但其他波长，例如 在 1.3 或 1.5 微米波长范围内也是可能的。

02窄激光线宽的基本因素

为了实现激光器的窄发射带宽（线宽），必须观察激光器设计的几个问题：

首先，需要实现单频操作。当使用具有小增益带宽的增益介质和短长度的激光谐振器（导致大的自由光谱范围）时，这是最简单的。目标应该是长期稳定的单频操作，没有跳模。

其次，必须尽量减少外部噪声影响。这需要一个稳定的谐振器设置（最好是单片的），可能有特殊的机械振动保护。电泵浦激光器应使用低噪声电压或电流源工作，而光泵浦激光器应使用低强度噪声的泵浦源。此外，必须避免任何光学反馈，例如 通过使用法拉第隔离器。理想情况下，外部噪声的影响将低于内部噪声，例如 来自增益介质中的自发辐射。这通常在高噪声频率下很容易实现，但在对线宽最重要的低噪声频率下则不然。

第三，应优化激光器设计，使激光器噪声，尤其是相位噪声最小化。高腔内光功率和长谐振器可能是有益的，尽管使用更长的谐振器更难以实现稳定的单频操作。

当然，设计优化需要知道不同噪声源的相对重要性，因为根据哪个噪声源占主导地位可能需要不同的措施。例如，根据 Schawlow-Townes 方程最小化线宽的措施不一定会最小化实际线宽，如果这是确定的，例如 由于机械噪音。

03噪声特性和规格

窄线宽激光器的噪声特性和规格都远非微不足道的问题。关于线宽的文章中讨论了各种测量技术，特别是对于几千赫兹或更低的线宽值，此类测量要求很高。此外，单独的线宽值不能被视为完整的噪声特性；除了相对强度噪声的信息外，最好有一个完整的相位噪声谱。至少，线宽值应该与测量时间一起指定，并且可能与一些关于较长时间间隔的频率漂移的信息一起指定。

当然，不同的应用有不同的要求，应该详细检查在任何特定情况下真正要求的噪声规范有多严格。

04窄线宽激光器的应用

一个特别重要的应用领域是传感器领域，例如 用于应变和/或温度的光纤传感器、各种类型的干涉传感、使用差分吸收激光雷达 (DIAL) 的痕量气体检测或使用多普勒激光雷达进行风速测量。一些光纤传感器只需要几 kHz 的线宽，而 100 kHz 就足够了，例如，LIDAR 测量。

光频计量需要线宽非常窄的光源，通常通过稳定技术来实现。

全息术需要连续波或脉冲单频激光器来产生高度相干的光。

通常对线宽要求不高的是光纤通信中的应用，例如 在发射机中或用于测试和测量目的。

审核编辑：汤梓红