窄线宽激光器


窄线宽激光器是具有超窄激光谱线的单频激光器,部分激光器应用需要激光光源发射光谱的半高全宽很窄,也就是窄谱线宽度。窄线宽激光器都是指单频激光器,也就是激光器只存在一个振荡模式,其优势在于有更低的相位噪声,更高的光谱纯度。
    

激光器的窄线宽是指激光谱线的半高全宽两点之间距离近,如下图解:

 

窄线宽激光器

 

窄线宽激光器种类

 

1、窄线宽气体激光器:气体激光器通常具有相对较大的波长,但其输出频率非常稳定,线宽在数百KHz以下。

 

2、窄线宽半导体激光器:半导体激光器由于其小尺寸、高效率和低成本而广泛应用。它们通常具有较窄的线宽,在几百KHz至几KHz之间。

 

3、窄线宽固体激光器:固体激光器由于其高功率和较长的寿命而受到青睐。它们可以产生非常窄的线宽,通常在几十KHz以下。

 

4、窄线宽光纤激光器:光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质的激光器。由于其结构特点,光纤激光器通常具有非常窄的线宽,可以达到几KHz以下。

 

4、窄线宽外腔激光器:外腔激光器通过在激光谐振腔中引入外腔二极管激光器来实现频率选择。这些激光器可以产生非常窄的线宽,并且具有很高的频率稳定性。

 

5、其他类型:还有其他一些特殊类型的窄线宽激光器,如分布反馈(DFB)激光器、外差锁模(PLL)激光器等。使用窄带光纤布拉格光栅作为谐振腔,通过以上方式甚至可以实现小于1kHz的超窄线宽
 

激光器窄线宽的主要影响因素 

 

控制激光器产生很窄的辐射带宽(线宽),在激光器设计之初就应考虑以下因素: 

 

1、模式竞争:首先确保激光器单频工作,没有不同纵模或横模之间的竞争,通过采用小增益带宽的增益介质或更短的激光器谐振腔来实现,目标是激光器能长时间稳定在单频工作且没有跳模。 
 

2、谐振腔长度:其次激光谐振腔长度也会影响线宽。较长的谐振腔可以提供更多纵向模式,导致线宽较宽。反之,只要使用较短的谐振腔就能使得线宽较窄。

 

3、工作物质:不同种类的工作物质具有不同的能级结构和发射特性,这会影响到输出频率分布和线宽。例如,固体激光器通常具有较窄的线宽,而气体激光器通常线宽较宽。

 

4、激光器的稳定性:激光器的稳定性对线宽也有一定影响。如外界温度、机械振动等都会影响激光器的稳定性,导致输出频率将不够稳定,引发线宽变宽。

 

5、噪声:需要优化激光器设计使激光器噪声最小,尤其是相位噪声。电泵浦激光器需要采用低噪声的电流或者电压源,光学泵浦的激光器的泵浦光源则需要具有低的强度噪声。

 

对系统优化需要了解不同类型和结构设计的激光器具有不同的特点和限制,各应用领域对线宽要求也各不相同。因此,在选择激光器时应根据具体需求综合考虑以上因素。

 

噪声特征和性能指标 

 

窄线宽激光器的噪声特征和性能指标都是都是比较琐碎的问题。在词条线宽中讨论了不同的测量技术,尤其是线宽在几kHz或更窄时对测量要求很高。另外,线宽值不能反映出全部的噪声;要结合完整的相位噪声光谱,还需要相对强度噪声信息。线宽值至少需要和测量时间结合考虑,或者与考虑长时间的频率漂移等信息互相结合起来。

 

当然不同的应用要求不同,在不同的实际情况中考虑需要达到什么水平的噪声性能指标。 

 

窄线宽激光器的应用 

 

1、传感领域:一个很重要的应用是在传感领域,像是压力或者温度光纤传感器,脉冲激光器放大模块,各种干涉仪传感,不同的吸收雷达能探测追踪多种气体,采用多普勒雷达测量风速。有些光纤传感器需要激光器线宽为几kHz,而在LIDAT测量中,100kHz线宽就足够了。 

 

2、光谱分析:窄线宽激光器在光谱学和光谱分析中具有重要作用。它们可以提供较高的频率精度和稳定性,用于吸收、发射和拉曼光谱等应用。 

 

3、光通信:光通信通常对线宽的要求相对宽松,主要应用于光模组内的光发射,是电转光。