强度噪声

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定义:激光光束的强度或者功率噪声

激光光束的强度噪声是很重要的一种噪声。通常考虑的是光功率的噪声而不是强度噪声,但是通常表示为强度噪声而不是功率噪声。


目录

强度噪声的主要性能指标

强度噪声通常用相对强度噪声定量表示,也就是功率噪声与平均功率的比值。一般的性能指标为:

  1. 某一测量带宽的均方根值(r.m.s.)
  2. 功率谱密度S(f)

有时碰到性能指标为“±0.1%”是不正确的,因为其未能描述统计特性,也不清楚考虑的噪声频率范围。

更多的细节参照噪声性能指标词条。


强度噪声的测量

强度噪声的测量通常是采用光探测器(例如PIN光二极管)探测强度(或者功率),然后采用电子光谱分析仪来得到噪声光谱。尽管原理很简单,实际中存在很多技术问题:

  1. 校准强度噪声非常困难。尽管电子光谱分析仪显示的噪声光谱所用的单位是合适的为 dBc/Hz(dBc表示低于载波的分贝值),需要纠正校准过程因为这适用于正弦信号,但是不适用于随机噪声。通常会在噪声水平上加2dB,这也要看光谱分析仪的具体设置。当光电流的直流成分需要在预激射过程中被抑制时会产生其它的困难,这是需要一个单独的校准测量过程。
  2. 光探测器必须工作在线性区域,也就是说不能达到饱和。当测量低重复率的脉冲列时,接收到的平均功率相对较低,因此很难得到高的灵敏度。
  3. 对于脉冲列来说,测量的信号不仅来自于强度噪声,还来自于时间抖动,它们都是可以被纠正的。如果忽略会得到错误的结果。

为了描述低频噪声,需要记录时间域上的功率变化,然后进行数值处理。


强度噪声来源

激光器的强度噪声包含量子噪声(与激光器增益和谐振腔损耗相关)和技术噪声,例如泵浦光源的附加噪声,谐振腔镜的移动,增益介质的热涨落等。产生的强度噪声依赖于工作环境,当泵浦功率很高时噪声会变弱,这时弛豫振荡被抑制。可以采用反馈系统来进一步减小噪声(激光器的稳定)。

大多数情况下,激光光束能达到的最低强度噪声为散粒噪声。当噪声频率非常高,高于弛豫振荡频率时,很多激光器能达到这一噪声水平。然而,光的压缩态的强度噪声可以小于散粒噪声,是以增加相位噪声为代价的。


降噪

可以采用一些方法来减小激光器的强度噪声

  1. 减小外加噪声源的影响,例如,采用稳定注入电流的激光二极管
  2. 优化激光器设计,使其受到外界噪声和量子噪声的影响最小。

也可以采用激光功率稳定系统(noise earters)来减小激光光束(激光腔外面的)的强度噪声。

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图1:固体激光器的强度噪声光谱。噪声水平是用高于散射噪声极限的分贝数来表示的。低频噪声的增加是由于泵浦光源的附加噪声造成的。


参考文献

[1]R. Paschotta, "Noise in Laser Technology – Part 1: Intensity and Phase Noise"


参阅:噪声性能指标相对强度噪声相位噪声激光器噪声散粒噪声量子噪声激光功率稳定系统