强度噪声
FFH{#|_1 Kw>gg 光束中一种重要的噪声是其强度噪声。严格地说,通常考虑的是光功率的噪声,而不是光强度的噪声,但常见的术语是强度噪声而不是功率噪声.
]o_E]5"jO 在强度噪声的背景中,功率一词有两种截然不同的含义,这可能会引起很大的混淆。(不要混淆光功率和噪声功率!)
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- 我们所关注的波动量是光功率,即单位时间内传递的光能量。
- 噪声通常用功率谱密度来量化,功率与波动振幅的平方有关;这里我们处理的是噪声功率。
@T-}\AU !" : arK 使用偏置光电二极管测量强度噪声(例如激光的强度噪声),可以获得与光功率成正比的光电流。光电流通常被转换成电压,例如使用电阻器。然后可以将波动电压输入电子频谱分析仪,该分析仪可显示输入电压的频率相关功率谱密度(PSD)。这里的功率指的是电功率,它与电压的平方成正比,因此也与光功率的平方成正比。PSD 是噪声功率的测量值,单位为 V2/Hz,但通常显示为对数量,单位为 dBm/Hz。利用电压和光功率之间的比例关系(在已知探测器响应度和可能的额外电子增益的情况下),可以由此计算出光功率的 PSD,单位为 W2/Hz。 (7v`5|'0 s_,&"->
vaZ?>94 如果将频谱分析仪的输入电压增加一倍,例如通过减少打在光电探测器上的激光束衰减,电功率就会增加 4 倍,相当于 6 倍分贝. GF
Rd:e 更进一步的困难源于电子频谱分析仪通常没有经过校准,无法正确显示噪声功率密度;需要一定的校正。 UOIZ8Po qxD<mZ@-R0 强度噪声规格 %;G!gJeE
c{f1_qXN (yz8}L3 强度噪声通常量化为相对强度噪声 (RIN),即光功率噪声除以平均光功率。通用规格如下: Jaf=qwZ/` 有时我们会遇到类似 “0.1%” 这样的规格,如果没有进一步的规格说明,这种规格是不准确的,因为没有对统计方面进行描述,也不清楚考虑的是哪种噪声频率范围。 $Vm J[EF1 POQ1K
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*Xd_=@L&B ZP%Bu2xd 强度噪声的测量 E9[8th,t bRAf!<3 *-9b!>5eD 测量强度噪声的方法是通常是通过快速光电探测器(如 pi-i-n 光电二极管)检测强度(或功率),并用电子频谱分析仪评估噪声频谱。虽然这在原则上看似简单,但在技术上可能会遇到各种挑战: ?r~](l /t?(IcP5
F[OBPPQ3 强度噪声水平的校准通常比较困难。虽然电子频谱分析仪以 dBc/Hz(其中 dBc = 低于载波的 dB)等适当单位显示噪声频谱,但它适用于正弦信号,不适用于随机噪声。通常需要在噪声电平上增加 2 分贝,但这取决于频谱分析仪的详细设置,如检测模式。(仪器手册会提供有用的信息。)如果需要在前置放大器中对光电流的直流分量进行增压,会出现更多困难;这时可能需要进行单独的校准测量。 kC[nY m;I;{+"u
qsL6*(S(r 当然,光电探测器必须在具有线性响应的区域中运行,即绝对不能达到饱和状态。对于低重复率脉冲序列的测量中,这可能意味着记录的平均功率相当低,因此难以实现高灵敏度。 ~
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8 _[f#s`) 对于脉冲序列,测量信号不仅受强度噪声的影响,还会受定时抖动的影响,这两种类型的噪声甚至可能相互关联。忽略这一点很容易导致结果错误。 }~5xlg$B<< 要确定低频噪声的特性,最合适的方法可能是在时域中记录功率变化,然后对其进行细化处理,例如进行频谱分析。 1vxh3KS. ("BFI
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YWhs; 激光强度噪声的来源 @.iOFY >Y< y]vM: E]Hl&t/} 激光器的强度噪声部分源于量子噪声(与激光器的增益和谐振器损耗有关)以及部分来自技术噪声源,例如泵浦源的过量噪声、谐振器反射镜的振动,增益介质的热波动等。由此产生的强度噪声也取决于运行条件;特别是在高泵浦功率下,其强度通常会变弱,其中弛豫振荡会受到很强的阻尼。有一些方法可以通过使用反馈系统进一步降低噪声. I@q>ES!1H y]\R0lR 在大多数情况下,激光束的最低强度噪声水平是由散粒噪声引起的。至少在高噪声频率,远高于弛豫振荡频率,许多激光器接近这种噪声水平。然而,对于所谓的光压缩态,强度噪声可能低于散粒噪声,但代价是相位噪声增加. (jYs_8;
0?t!tugG 图1:固态激光器的强度噪声谱。
p:ST$ 1 K 噪音水平以高于发射噪音限值的分贝为单位。在 74 kHz 处有一个峰值,这是弛豫振荡造成的。低频噪声增加是由于泵源噪声过大造成的。 cw <DM%p ;3sT>UB 噪声降低 F]?$Q'U Tm^zoVi *id|za|:k 可以通过多种方式降低激光的强度噪声: .]H]H *wC 可以减少外部噪声源的影响,例如通过以稳定的注入电流运行激光二极管。 [l5"'{x 可以优化激光器的设计,使其对外部噪声的敏感性和量子噪声的影响降低到最小程度。 emS +%6U 激光光束(激光腔外)的强度噪声可以用噪声消除器来消除。 JT^E`<nn )x|BY>
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