在当今社会，激光技术在各个领域都发挥着重要作用。
例如，激光被广泛应用于电信、医疗、制造和科学研究等领域。然而，为了最大限度地发挥激光在这些应用中的性能，必须准确了解和评估激光的特性。在电信领域，“线宽 ”是最重要的因素之一。线宽指的是激光器光频谱的宽度，用于评估激光器的纯度和稳定性。
本文将详细讨论激光线宽。我们将介绍线宽的基本定义和类型，以及测量激光线宽的方法，如延迟干涉测量法、数字相干接收器方法和光调频-电调频转换法。
通过本文，我们希望您能更好地理解线宽，并能更有效地使用激光线宽测量设备。
目录
- 什么是激光线宽？
- 为什么需要评估激光线宽？
- 4 种激光线宽测量方法
- SYCATUS 光学噪声分析仪 “A0040A”
- SYCATUS 激光线宽测量系统 “A0020A”
- 常见问题 1-3
- 结论： 光测量基本知识： 什么是 “激光线宽”？
什么是激光线宽？
由激光光频波动引起
激光线宽是激光光频散布的主要特征之一。理想的激光器应该以单一波长（或频率）振荡，但实际激光器的光频会随着时间的推移而变化，并由于各种因素在一定范围内传播。这种扩散的宽度称为 “线宽”。
线宽是评估激光纯度和稳定性的重要指标，直接影响到激光在通信和测量等各种应用中的性能。
激光器光频的波动还取决于激光器的输出特性和环境条件。为了尽量减少这种情况，必须优化激光器的设计和工作环境。例如，众所周知，温度控制、振动控制和电源稳定都是有效的措施。此外，激光谐振器结构本身的优化设计技术也有助于减少激光线宽。
评估激光光谱纯度的单位是 “Hz”
激光线宽以 “Hz” 为单位。该单位表示激光束频率的变化范围，是评估激光纯度的重要指标。它通常是指激光电场光谱的半最大全宽（FWHM*），即光谱线两端频率之差，其强度为最大强度的一半。线宽越宽，光谱越宽（激光束的频率波动很大），反之，该值越窄，光谱越集中，光谱的纯度越高（激光束的频率稳定）。
*FWHM 也是激光设计和制造过程中的一个重要参数。例如，必须通过调整激光谐振器设计、温度控制和驱动电流来优化线宽。
为什么需要对激光线宽进行评估？
激光线宽的评估和控制是激光技术开发和应用的基本要素。它对于研究通信、精密测量和医疗设备领域的性能尤为重要。
例如，在光纤通信，特别是数字相干通信系统中，激光线宽越窄，信号质量越好，数据传输的速度和质量也就越高。此外，在精密测量中，使用线宽更窄的激光器可以实现更精确的测量。
这是由于对低相位噪声和高频率稳定性的要求。
另一方面，在医学和材料加工等领域，有时需要宽线宽，因为这些领域需要在宽波长范围内传输能量。
测量和评估激光线宽的常用方法是使用光谱分析仪直接观察激光输出光的光谱，并测量光谱峰值强度一半处的频率差。这种测量方法能够让我们正确评估激光的特性及其是否适合预期用途。
然而，大多数光光谱分析仪的频率分辨率为 600 MHz 或更高，无法测量更窄的线宽。近年来，光纤通信和精密测量领域需要对 10 kHz 以下的线宽进行评估。
4 种激光线宽测量方法
为了准确测量激光线宽，必须使用适当的仪器和方法。让我们来看看一些典型的测量仪器及其特点。
1. 延迟干涉测量法
延迟干涉仪法是过去常用的线宽测量方法。在这种方法中，一束激光被分成两束，其中一束被延迟，然后再次干涉。电子频谱分析仪可观察到干扰引起的跳动信号，并可根据频谱的散布确定激光的线宽。这种方法的优点是结构简单，无需事先调整。这种方法比光光谱分析仪的分辨率更高。
优点
- 配置相对简单
- 无需预先调整
缺点
- 测量结果取决于延迟时间
- 不提供详细的线宽信息
- 低频段的光频波动占主导地位
- 不适合数字相干通信、FMCW 激光雷达等应用，因为这些应用需要对特定波段的光频变化进行线宽评估
2. 光调频-光调幅转换法
在光调频-光调幅转换法中，激光光的频率变化（调频）通过滤光片或其他元件转换为强度变化（调幅），滤光片或其他元件的透射率取决于光波长（光频率）。通过使用光检测器和电频谱分析仪测量转换后光信号的强度来评估线宽。这种方法适用于较宽的光频变化带宽。
优点
- 直观易懂
缺点
- 需要事先调整滤光器的工作点
- 再现性低
- 难以准确校准滤光片透射率的波长依赖性
- 由于无法确保滤光片透射率在大范围内的波长线性，动态范围不足
- 由于光调频-光调幅转换效率取决于光强，光强的波动导致无法正确测量
- 光强噪声会叠加在测量结果上
3. 数字相干接收器方法
数字相干接收器方法是一种应用数字相干通信设备的系统。在这种方法中，数字相干接收器用于对激光的强度和相位进行采样，并通过从数据中提取光频率变化的频谱来获得线宽。数字相干接收器方法的优点是可以实时采样，从而实现高效测量。它还适用于较宽的光频变化带宽。
优点
- 高效测量
- 测量带宽宽
- 不易受光功率波动的影响
缺点
- 在结果上叠加本地光源的线宽
- 量化噪声影响较大
- 需要预先设置光波长通道
4. 光调频-电调频转换法
光调频-电调频转换法使用特殊的延迟干涉仪将光频波动（调频）转换为电频波动进行测量。使用电频谱分析仪对电频波动进行分析，以计算线宽。这种方法的优点是动态范围宽，测量精度高。由于不需要事先调整工作点或光波长，因此可以高效地进行测量。
优点
- 无需预先调整
- 宽动态范围
- 本底噪声低
- 可重复性高，因为决定测量精度的唯一参数是干涉仪延迟时间
- 不受光功率波动的影响
缺点
- 测量带宽有限
SYCATUS 光学噪声分析仪 “A0040A”
SYCATUS 的 A0040A 光噪声分析仪是业界首个采用光调频-电调频转换方法，将激光线宽作为光频率噪声功率谱密度进行评估的解决方案。
它的动态范围很宽，即使在 ITLA 中使用光频抖动，也能进行正确的测量。它可以分析数字相干传输系统所需的激光器的 1/f 噪声、白噪声和洛伦兹线宽。由于无需事先调整，因此可以提高测量吞吐量。测量带宽也扩展到 255 MHz，这被认为是一个具有挑战性的问题。由于不需要参考激光源，因此线宽不受参考激光源的影响。
SYCATUS 激光线宽测量系统 “A0020A”
SYCATUS 的激光线宽测量系统 “A0020A ”是基于传统延迟干涉仪方法的激光线宽评估测量系统。
激光线宽评估对于光通信中使用的激光器的开发、制造和质量控制至关重要。
通过将高灵敏度、低噪声光测试装置与 Keysight Technologies 的信号分析仪相结合，可以轻松测量线宽。
常见问题 1-3
1. 简要说明精确光测量的要点是什么？
要进行精确的光测量，首先要根据测量目标的特点选择最佳的测量设备和测量手段。
另一个要点是在温度和湿度变化最小的环境中进行测量，以确保测量环境的稳定性。这将最大限度地减少外部因素造成的误差。
此外，建议定期校准测量设备本身。准确的校准可提高测量结果的可靠性。
2. 线宽和分辨率之间的关系是什么？
线宽是通过频谱来评估的，而分辨率或分辨率带宽（RBW）是频谱评估的一个重要因素。
分辨率带宽由频谱的采样方法决定。对于线宽测量，分辨率带宽必须足够小于线宽。一般来说，分辨带宽应小于要测量的线宽的 1/10。
3. SYCATUS 光噪声分析仪 “A0040A” 与传统产品的区别是什么？
SYCATUS 的 A0040A 线宽测量仪在以下方面优于传统产品。
首先，采用先进的光调频-电调频转换技术，可测量微小线宽并获得更准确的数据。
此外，操作性也得到了提高，用户界面更加友好。即使没有专业知识也能轻松操作，这是一大优势。
此外，测量速度也得到了提高。与传统产品相比，在高速测量模式下，测量时间不到 1 秒，从而提高了测量工作的效率。因此，在处理大量数据或需要实时测量的情况下，它的性能尤为突出。
结论： 光测量基本知识： 什么是 “激光光宽”？
在本文中，我们介绍了激光线宽的基础知识、其重要性、测量方法以及最先进的测量系统。激光线宽是衡量光学质量的重要指标，特别是在数字相干通信和相干传感领域，需要对线宽进行精确评估。
此外，激光线宽的测量方法有多种，每种方法都有其特定的优势。通过选择合适的测量方法，可以获得更精确的数据，从而促进研究和产品开发的成功。
SYCATUS 的 A0040A 光学噪声分析仪和 A0020A 激光线宽测量系统是集精确性、易用性和最新技术于一身的工具。
通过提高您对激光线宽的理解，并积极将新技术融入您的开发和研究中，您将能够提高光测量的准确性。
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作为光通信和光传感领域的测量先驱，SYCATUS 20 多年来一直致力于提供用于测量的集成硬件和软件系统。
我们将一如既往地向全世界提供以专业性、独特性和精确性为基础开发的创新光学测量技术。
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