基于短光纤延时自外差干涉法的窄激光线宽测量.pdf
摘要
近几十年来，窄线宽激光器取得了令人瞩目的进展，世界上许多实验室已经实
现了Hz甚至亚Hz量级线宽的激光器。这种窄线宽激光器在高分辨率光谱学、基本
常数测定和量子精密测量等领域具有重要作用，其线宽特性直接影响各领域应用研
究的测量精度，因此激光线宽测量在激光技术领域具有重要的意义和作用。传统的
激光线宽测量方法受限于光谱仪和法布里-珀罗干涉仪的测量精度，无法测量低于
kHz级别的激光线宽。基于非相干光谱的激光线宽测量方法虽然可测量窄激光线
宽，但超长光纤的需求增加了功率损耗和实验成本，而且1/f噪声会增加光谱宽
度，影响测量精度。基于短光纤延时自外差干涉法的窄激光线宽测量技术可以解决
这些问题，其线宽测量精度可达Hz量级。
本文基于短光纤延时自外差干涉法，分别采用第二峰和第二谷对比度差法
（CDSPSV）、迭代法和课题组提出的最优解调洛伦兹光谱法（ODLS），对窄激光
线宽进行了理论模拟和测量比较。
本文的主要工作概括如下：
一、设计并组装了一个高精细度超稳光学参考腔，通过腔衰荡法测得其精细度
约为44400±200。调节光学参考腔与激光模式耦合后，采用PDH稳频技术将一台
1557nm半导体激光器频率锁定到腔模，激光线宽从10kHz压窄到100Hz量级。
二、理论描述了短光纤延时自外差干涉法形成相干包络光谱的基本原理。仿真
了不同延时光纤长度和不同激光线宽对相干包络谱的影响，给出了测量一定激光线
宽所对应的最佳延时光纤长度范围。理论模拟了相干包络谱幅度差值法测量激光线
宽和解调洛伦兹光谱的处理过程。
三、实验搭建了基于短光纤延时自外差干涉法的激光线宽测量装置。采用
CDSPSV法、迭代法、ODLS法，在不同延时光纤长度下分别测量了同一台激光器
线宽。结果表明ODLS法测量值波动范围最小，反映出该方法测量窄激光线宽的准
确性和可靠性。
关键词：窄激光线宽测量；短光纤延时自外差干涉；最优解调洛伦兹谱法；PDH稳
频
I
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1激光线宽测量研究背景与意义1
1.2传统激光线宽测量方法概述1
1.3新型激光线宽测量方法概述2
1.3.1拍频法原理3
1.3.2非相干光谱的激光线宽测量4
1.3.3相干包络谱的激光线宽测量7
2基于超稳光学腔的PDH激光锁频9
2.1基于PDH的激光器稳频技术9
2.1.1激光器稳频技术9
2.1.2PDH稳频原理13
2.2超稳光学腔15
2.2.1腔的设计与制作15
2.2.2模式匹配16
2.2.3腔精细度的调节与测量18
2.3PDH稳频实验装置及窄线宽激光获得21
2.4本章小结23
3基于短光纤延时自外差干涉法的测量窄激光线宽的理论模拟24
3.1短光纤延时自外差干涉包络光谱24
3.1.1激光线宽对包络光谱的影响25
3.1.2延时光纤长度对包络光谱的影响26
3.2相干包络谱幅度差值法测量激光线宽的理论模拟27
3.3基于相干包络解调的激光线宽测量理论模拟30
3.4本章小结32
4基于短光纤延时自外差干涉法的窄激光线宽测量34
4.1实验装置34
4.2基于相干包络谱幅度差值法和迭代法的激光线宽实验测量36
4.3最优解调洛伦兹光谱测量激光线宽的实验测量38
4.4本章小结41
5总结与展望43
参考文献44
攻读学位期间取得的研究成果50
致谢51
个人简况及联系方式52
承诺书53
学位论文使用授权声明54