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强度噪声 | RP 系列

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    开心
    2025-7-4 14:55
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    [LV.5]常住居民I

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    小白

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    发表于 2025-7-4 10:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
    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.
    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!)

    • 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。

    当使用偏置光电二极管测量光束的强度噪声(例如激光的强度噪声)时,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,这一过程可以使用电阻器来实现。随后可以将波动电压输入进电子频谱分析仪,该分析仪可显示其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 V^2/Hz,但通常显示为对数形式,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 W^2/Hz。

    如果将频谱分析仪的输入电压增加一倍,例如通过降低照射在光电探测器上的激光束衰减程度,那么电功率就会相应增加4倍,相当于 增加了6分贝。
    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,因此需要特定的校正。


    强度噪声规格

    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:

    • 特定测量带宽内所对应的均方根值
    • 功率谱密度 S(f)

    有时我们会遇到类似 “0.1%”之类的规格表述,如果没有进一步的规格说明,则这种规格是不准确的,因为没有对统计方面进行描述,也未明确所涉及的噪声频率范围。


    强度噪声的测量

    通常,测量强度噪声的方法是利用快速光电探测器来(如 pi-i-n 光电二极管)检测强度(或功率),并借助电子频谱分析仪对噪声频谱进行评估。虽然这在原理上看似简单,但在实际操作上可能会遇到各种挑战:

    强度噪声水平的校准通常比较困难。虽然电子频谱分析仪能以 dBc/Hz(其中 dBc = 低于载波的 dB)等合适单位来显示噪声频谱,但它适用于正弦信号,而非随机噪声。因此,通常需要在噪声电平上增加 2 分贝,但修正值取决于频谱分析仪的详细设置。(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,那么会面临更多困难,这时可能需要进行单独的校准测量。

    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。在对低重复率脉冲序列测量时,这可能意味着记录的平均功率相当低,从而难以实现高灵敏度。

    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。
    为了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。

    激光强度噪声的来源

    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激光器的运行条件;特别是在高泵浦功率下,其强度通常会变弱,其中弛豫振荡被强烈抑制。通过使用反馈系统可以进一步降低噪声.

    在大多数情况下,激光束可达到的最低强度噪声水平是由散粒噪声决定的。至少在高噪声频率,远高于弛豫振荡频率时,许多激光器都能接近这种噪声水平。然而,对于所谓的光压缩态,其强度噪声可能低于散粒噪声,但代价是相位噪声增加.


    图1:固态激光器的强度噪声谱。



    噪声水平以高于散粒噪声极限的分贝数表示。在 74 kHz 处有一个峰值,这是由弛豫振荡造成的。低频噪声增加是由于泵浦源噪声过大造成的。


    噪声降低

    可以通过多种方式降低激光的强度噪声:
    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。

    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。

    激光光束(激光腔外)的强度噪声可以用噪声消除器来消除。


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