稳定单纵模运转的低噪声环形复合腔光纤激光器

报道一种可实现稳定单纵模运转的低噪声环形复合腔掺铒光纤激光器。利用保偏光纤抗外界扰动能力强的特性,精细地优化复合腔参数以拓宽有效纵模间隔。对经隔震绝热封装后的激光器采取温度补偿,可对复合腔自由光谱范围(FSR)进行微调,使得复合腔激光器可更精准地运用Vernier效应来有效抑制跳模,进而该激光器可实现14 h以上无跳模的稳定单纵模连续运转,输出激光的信噪比高达80 dB,线宽窄至400 Hz。此外,还首次测量了环形复合腔掺铒光纤激光器在自由运转下宽频段内强度噪声和频率噪声特性,测量结果表明,该激光器在1 mHz～1 MHz宽频段内的强度噪声和频率噪声低,在1 mHz～10 Hz频段,强度噪声和频率噪声均优于典型分布Bragg反射(DBR)光纤激光器的噪声水平,且弛豫振荡频率也更低。     

面向空间引力波探测的激光低频段相对强度噪声测试技术

面向空间引力波探测对激光光源相对强度噪声的严苛需求,开展了极低相对强度噪声在低频段的测试表征技术研究。构建了基于低噪声光电探测器、高精度数字万用表以及快速傅里叶（FFT）频谱分析仪在低频段0.1 mHz～100 kHz的相对强度噪声测试系统。利用高精度数字万用表及FFT分段Smooth窗函数平滑算法实现对0.1 mHz～0.5 Hz的极低频段内相对强度噪声测试,本底噪声低于-99 dBc/Hz,同时利用低噪声放大器及FFT频谱分析仪测试在1 mHz～100 kHz的相对强度噪声,本底噪声低于-105 dBc/Hz。两种测试手段在1 mHz～0.5 Hz重叠频段内噪声测试结果的一致性验证了所构建测试系统在低频段测试结果的准确性。利用所构建的相对强度噪声测试系统对自研空间引力波探测用平面波导环形腔（NPRO）激光器、商用光纤激光器、商用外腔半导体激光器等多种激光器进行测试评估,并对其噪声成分及来源进行分析。所构建的低频段相对强度噪声测试系统可满足空间引力波探测对激光强度噪声评估的需求,同时也适用于其他低频段精密测量应用的激光光源噪声评估。     

陶瓷多通道折叠射频波导稳频脉冲CO2激光器研究

为了研究可用于红外激光外差成像雷达、由腔倒空脉冲工作模式的主振激光器和处于连续工作模式的本振激光器组成的射频波导稳频脉冲 CO2激光器,采用输出端腔外准折叠和主、本振全反射端共用同一块原刻闪耀光栅的方法,分别缩短了器件的长度和提高了主、本振激光器的外差频率稳定性。通过调节CdTe调制器上的高压脉冲下降沿时间,可以使主振得到宽脉冲的腔倒空激光输出,本振通过插入压电陶瓷来实现系统的外差中频信号的偏频锁定。主振在腔倒空模式下工作重频可达到70kHz,得到脉冲峰值功率达到2.5kW（脉宽约为30ns）、主本振外差中频（120MHz）频率漂移在短期内小于1MHz 的结果。结果表明,研制的激光系统可以满足外差成像雷达系统的特殊要求。     

单频光纤激光器的噪声抑制

对单频光纤激光系统的输出噪声进行了测量和研究,利用前置光电负反馈方法对光纤激光器的强度噪声进行了抑制,调节反馈增益和延迟时间,可以在不同的边频处接近散离噪声极限,在分析频率6.0 MHz处抑制程度达到22 dB.     

186 MHz低幅度噪声掺铒光纤飞秒激光器

飞秒激光器是激光频率测量系统——飞秒光梳的核心部件,其噪声、重复频率、脉冲宽度、光谱等参数决定了它在应用中的表现。报道了用于9.2GHz基于光学腔超稳微波源的掺铒光纤飞秒激光器的研制。该激光器采用环形腔结构,重复频率为186MHz,直接输出功率为120mW,光谱中心波长为1550~1600nm。采用动态信号分析仪测试了双边带噪声功率谱,结果显示:研制的飞秒激光器自由运转时,1 Hz处双边带幅度噪声为-118dBc/Hz,在10Hz到100kHz频率范围内幅度噪声小于-130dBc/Hz。     

基于超稳腔PDH稳频的280 mHz线宽DBR光纤激光器

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10^-16和8×10^-15,频率噪声降低至8×10^-3 Hz²/Hz@1～10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。     

面向空间引力波探测的低噪声平衡零拍探测系统研究（特邀）

空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10?5 V/Hz1/2以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400 μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10?2 V/Hz1/2,实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。     

利用光电反馈抑制钛宝石激光器低频段的强度噪声

对前置光电负反馈抑制钛宝石激光器强度噪声方法的特性进行了理论分析,表明注入噪声不同时对应的最佳反馈增益不同。利用前置光电负反馈方法,在实验上实现了全固态连续单频可调谐钛宝石激光器低频段的强度噪声抑制,通过调节反馈增益,使激光器的强度噪声抑制程度最大。在分析频率为1.125 MHz处,强度噪声由原来的8.7 dB降低到了1.4 dB,抑制程度达7.3 dB。调节反馈增益和相位延时,可以获得不同分析频率的强度噪声的降低。     

极低本底单频激光相对强度噪声测试方法研究

针对高速光通信和微波光子系统对单频激光源极低相对强度噪声（RIN）的需求，开展了极低本底相对强度噪声测试方法的研究。首先分析了相对强度噪声测试中激光相对强度噪声、系统散粒噪声和热噪声等主要要素的影响，然后提出了基于增大光电流并结合低热噪声的频谱探测的方式降低测量极限的方法，实现了极低本底单频激光相对强度噪声测试，频谱分析频段可达到40 GHz，测量本底达-171 dBc/Hz。基于该方法和系统，更加精细地研究、表征了光通信中的光放大和强度调制过程的相对强度噪声特征，清晰地展示了极低本底下典型激光光源的噪声滚降和多个弛豫振荡峰、强度调制谐波失真等特性，证实了极低本底噪声测量方法的有效性。研究结果在激光器性能的设计优化和应用系统的选型评估等方面具有重要的应用前景。     

127I2频率调制光谱在微型Nd:YVO4激光稳频中的应用

采用480 MHz频率调制和光外差光谱检测技术,将半导体激光抽运Nd:YVO4微型激光器的频率锁定在碘分子532 nm波段多普勒加宽的吸收谱线上.分析伺服误差信号表明,采用该技术锁定微型Nd:YVO4激光频率,其稳定度可达到10-10(1 s积分时间).     

DBR单纵模光纤激光器波长温度调谐

报道了采用DBR方式,利用8 mm的高浓度掺Yb3+单模光纤,实现了波长为1 064 nm的单纵模调谐激光稳定输出的实验结果。该DBR谐振腔有效腔长为16 mm,输出最大功率为7.4 mW,通过半导体制冷器温控改变谐振腔的温度,实现了0.824 nm的单纵模无跳模调谐。采用光纤外差法,并利用低损耗环形器和光纤反射镜倍增延迟线长度提升测量精度的方式,测量得到激光最大线宽为4.4 kHz。单纵模激光的弛豫震荡峰位于900 kHz处,其相对强度噪声为-110 dB/Hz,当频率大于1.5 MHz时相对强度噪声为-145 dB/Hz。     

Highly stable low-noise Brillouin fiber laser with ultranarrow spectral linewidth

We demonstrate an all-fiber high-power single-frequency Brillouin fiber ring laser with maximum power of 100 mW at 1.55 /spl mu/m, which is actively stabilized by using the Pound-Drever-Hall frequency-locking scheme. Significant reduction (/spl sim/20dB) of both relative intensity noise and frequency noise was observed in the Brillouin Stokes radiation as compared with those noises of its pump source, a narrow-linewidth Er-doped fiber laser. Ultranarrow spectral linewidth of the Brillouin fiber lasers was investigated by both delayed self-heterodyne technique and heterodyne beat technique between two independent Brillouin fiber lasers.     

Using a Passive Fiber Ring Cavity to Generate Shot-Noise-Limited Laser Light for Low-Power Quantum Optics Applications

High-stability single-frequency fiber lasers typically exhibit relative intensity noise that is far in excess of shot noise across a broad frequency range extending from dc to many tens of megahertz. This excess noise precludes the use of these fiber lasers in a range of precision interferometry and quantum optics applications. We present experimental results using a passive, high Q, fiber ring resonator to filter out up to 26 dB of excess laser intensity noise, resulting in a stabilized laser output that reaches the shot-noise limit over most of its signal spectrum.     

基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器

系统研究了利用稀土掺杂的石英光纤作为激光增益介质来实现分布布拉格反射式单频光纤激光器。实验中,分别将掺有Nd3+、Yb3+、Er3+/Yb3+和Tm3+的商用石英光纤,熔接到激光谐振腔中,实现了基于石英玻璃光纤的光纤激光系统在多波段的单纵模运转。对各光纤激光器的单频特性进行了研究,其中,激光器线宽可达几十千赫（特别是对于Er3+/Yb3+共掺光纤激光器,其线宽窄于7 kHz）,激光系统的强度噪声接近于散粒噪声极限,实验中获得了激光波长由930 nm到2m的单频光纤激光器。实验结果证明:商用的稀土掺杂石英光纤能够作为有效的增益介质来实现短腔型单频光纤激光器。同时,通过进一步的系统集成,基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器将得到更加广泛的应用。     

延时自外差法线宽测量误差分析仿真及修正

讨论了移频延时自外差探测的基本原理,并对外差得到的功率谱进行了公式推导。在此基础上,对外差测量中出现的测量误差进行分析,同时设计了自外差测量实验装置进行实验对比,确定了由于延时线长度不够导致的线宽测量误差来源是因为延时时间短导致幂指数函数项波动加剧造成的;同时针对外差信号频谱为洛仑兹型和类高斯型的混合谱型,在高斯功率谱密度函数的基础上,对延时时间和1/f谱宽的影响进行了仿真计算,采用Voigt分析,提取出1/f导致的测量误差,提高了线宽测量的精度。以高斯谱宽4.5 kHz的谱型为例,对应的洛仑兹线宽约为0.68 kHz,提高了一个数量级的测量精度。     

Improved optical heterodyne methods for measuring frequency responses of photodetectors

An improved optical self-heterodyne method utilizing a distributed Bragg reflector (DBR) tunable laser and an optical fiber ring interferometer is presented in this paper. The interference efficiency can be increased by 7 dB compared with the scheme using the conventional Mach-Zehnder interferometer. The unsteady process that the beating frequency experiences in each tuning period is investigated. According to the measurement results, the wavelength and optical power of the tunable laser will be steady when the square-wave frequency is lower than 300 kHz. It has been shown that when a square-wave voltage is applied to the phase section of the tunable laser, the laser linewidths vary in a wide range, and are much larger than that under dc voltage tuning. The errors caused by the variations in the linewidth of the beat signal and optical power can be eliminated using the proposed calibration procedures, and the measurement accuracy can, therefore, be significantly improved. Experiments show that the frequency responses obtained using our method agree well with the data provided by the manufacturer, and the improved optical self-heterodyne method is as accurate as the intensity noise technique.     

A Michelson interferometer with balanced detection for thecharacterization of modulation and noise properties of semiconductorlasers

A Michelson interferometer with balanced detection, built to study semiconductor lasers, is analyzed. The quantum noise due to vacuum fluctuations, coupling losses, detector quantum efficiency, and spatial mode mismatches are included in the analysis. The limits for frequency noise detection and the sensitivity of the interferometer are examined. It is observed that under ordinary measurement conditions the frequency noise can only be measured up to slightly above the cavity bandwidth of the laser. Comprehensive measurement procedures are proposed, and experimental results showing the frequency modulation response, measured from 10 kHz to 8 GHz, of a three-section distributed feedback (DFB) laser and the frequency noise spectra, measured from 30 MHz to 8 GHz, of a two-section distributed Bragg reflector (DBR) laser are presented. These results reveal new cavity detuning effects in the noise characteristics of tunable DBR lasers     

窄线宽激光器线宽测量方法

回顾了窄线宽激光器线宽测量的各种方法和发展过程,介绍了利用光外差法测量窄线宽激光器线宽的基本原理,描述了双光束外差法和延时自外差法的不同测试机理。针对延时零拍自外差法容易引起的系统误差,说明了光源调制和光路调制移频非零拍自外差法不同改进方案的优缺点。综述了窄线宽激光器测量线宽的新方法。对窄线宽激光器线宽测量方法进行了较全面的梳理,从发展过程看双光束外差法和延时自外差法有着各自的测量优势。     

频谱仪快速测定窄线宽激光器线宽

针对传统光谱仪和F-P 干涉仪分辨率不能满足窄线宽激光器线宽的测量要求, 基于延时自外差法搭建测试平台.设置频谱分析仪分辨率参数抑制噪声实验, 通过使用20 km 延时光纤、80 MHz声光移频器和50:50 光纤耦合器, 通过光电探测器实现光电转换并利用频谱分析仪分析测试信号.对频谱分析仪分辨带宽RBW 和视觉带宽VBW 以及扫频范围(Scan Range)进行优化设置, 在不降低测试灵敏度的情况下, 将重叠信号分辨开, 使其不会过多滤掉高频成分而失真并对线宽功率谱峰值进行洛伦兹曲线拟合.最后得到了1 550 nm 波长可调谐光纤激光器(1 520~1 570 nm)的线宽值约为161 kHz, 为频谱仪的参数优化设置及窄线宽激光器线宽标定提供了相关参考.     

移频延时自外差法的DFB激光器线宽测量

为了测量分布反馈（DFB）单模半导体激光器线宽,采用一种新颖的基于马赫-曾德尔干涉结构的光纤自外差测量方案,设计了一套全光纤延时自外差法测量系统,并进行了理论分析。在此基础上搭建了延时光纤长度分别为900m,3000m和6000m的窄带线宽测量系统,对实验室一台中心波长为1550nm、标称线宽值为800kHz的DFB单模半导体激光器光源进行了测试,测得激光器线宽值分别为951.566kHz,832.471kHz和802.221kHz,并对所设计的方案进行了模拟仿真验证。结果表明,与模拟仿真结果作对比,延时光纤长度为6000m时的窄带线宽测量系统最优,其误差在3%之内,证明了所用自外差干涉原理的合理性和准确性。全光纤移频延时自外差法对测量DFB激光器线宽具有优越性和重要的实用价值。