噪声性能指标

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定义:描述激光器噪声性质的性能指标。

噪声强度需要定量表示,尤其是在某些应用时,例如频率测量,敏感光谱学测量或者光纤通信,其中装置或者系统的性能受限于噪声大小。


激光器和光放大器的噪声性能指标

强度噪声通常是通过采用光二极管及相关电子设备,例如电子光谱分析仪,来分析激光器输出光得出。它可以表示为相对强度噪声功率谱密度随噪声频率变化的函数。有时,均方根值,也就是功率谱密度在某一频率范围的积分的平方根,就可以表示强度噪声。然而,均方根值无法表征测量带宽。带宽由以下因素决定:

  1. 高的频率极限是由光探测器的响应速度决定的。响应很慢的探测器是无法记录快速涨落的,因此相比于快速探测器来说,噪声更弱一些。而采用数字化记录,测量带宽最多为样品频率的一半,实际中甚至更低,因为为了避免混叠效应,需要在样品之前采用低通滤波器。
  2. 低频率极限约等于测量时间的倒数。在有限时间间隔内测量强度涨落时,无法了解测量的平均功率在长时间后会在多大程度上偏离平均功率。因此,当频率小于测量时间倒数时的噪声需要被抑制。

光相位噪声可定量的由相位涨落的功率谱密度(PSD)表示。也可以给出瞬时频率涨落的功率谱密度。以上功率谱密度在频率为0时通常是发散的,因此积分不能从0开始。对于简单的随机游走过程,需要对相干时间相干长度或者线宽进行说明。线宽值也是依赖于测量时间。

频率噪声与相位噪声有直接关系,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。

脉冲列的时间抖动可定量表示为功率谱密度对时间的导数或者定时相位。有时也会指出在一定噪声频率范围内的均方根值。

频率测量时,常用阿伦偏差或者阿伦方差随时间的函数。这些量可以利用光功率谱密度来计算。

电或者光放大器的噪声系数定量描述放大器附加噪声

频率测量中常用归一化相位涨落 x(t) = δφ(t) / (2π ν0),也就是相位涨落与平均角频率的比值。由归一化相位涨落的时间导数得到归一化频率涨落y(t),也就是瞬时频率相对于平均频率的涨落。为了对比不同平均频率时的相位噪声,可以比较归一化相位涨落的功率谱密度Sx(f)与归一化频率涨落Sy(f),而不需要比较自身的相位或者频率品阿姨,因为归一化涨落决定测量准度和精度。


环境条件

激光器噪声也取决于环境条件。因此需要了解特定性能指标适用的环境条件。尤其是下列情形:

  1. 是否适宜于室温,或者在允许的工作温度范围内的任意温度变化?
  2. 是刚打开装置就得到这一参数还是需要启动时间?
  3. 是否需要无振动环境?

后者对于波束指向涨落的性能指标尤其重要。

当环境噪声例如振动等影响时,很难得到激光器噪声的性能指标,因为很难量化这一影响。另外,影响还与噪声频率有关,例如机械装置存在共振频率,因此装置在某一频率处会对振动非常敏感。


常见问题

由于各种原因,通常不能得到准确的噪声性能指标:

  1. 数学上描述噪声非常复杂,而且由于一些物理或者工程原因不能正确计算。因此,在产品数据表格中甚至科学上,噪声性能指标都是错误的。
  2. 激光物理中,存在多种类型的噪声,并且在物理上联系不是很直接(例如,锁模激光器的光相位噪声定时相位噪声)。因此,物理上的理解与数学表达同等重要。
  3. 噪声测量时还会遇到许多技术问题。要采用光谱分析仪得到准确测量结果需要了解该仪器的内部工作原理。将其当做黑盒子(仅利用该装置读取数据而不知道数据是如何产生的)对待会得到错误结果,例如,对装置进行错误设置或者没有采用一些矫正因子(例如,在光谱分析仪中需要取对数平均)。


参阅:激光器噪声强度噪声相对强度噪声相位噪声频率噪声功率谱密度线宽相干相干时间窄线宽激光器激光器性能指标