1645nm单纵模NPRO激光器短期频率稳定度的测量

1645nm单纵模NPRO激光器短期频率稳定度的测量崔春旺;纳全鑫;张艺轩;王雨佳;高明伟;王庆;高春清【摘要】Using the fiber delayed self-heterodyne method,the short-term frequency stability of the monolithic nonplanar Er∶YAG ringoscillator(NPRO) outputting the single longitudinal-mode was measured.The laser output wavelength is 1645nm.The self-heterodyne beat signal of the laser was achieved under different delay time about 0.25 μs,0.75 μs,1.25 μs,1.75 μs,2.25 μs,2.75 μs,5.25 μs,7.25 μs,9.75 μs,108.5μs,166 μs.When span of the spectrum analyzer is 20 kH z,sweep time is 10 s,Res BW is 51 Hz and VBW is 1Hz,the 3 dB bandwidth of the beat signal was measured.In the delay time range of 0.25~9.75 μs,through linear fitting of the 3 dB bandwidth under different delay time,the short-term frequency stability of the single longitudinal-mode NPRO laser is 201Hz/μs.In addition,the 3 dB bandwidth of about 14 kHz was obtained when the lengths of the delay time fiber are about 21.7 km and 33.2 km.%利用光纤延时自外差法对单块非平面Er∶YAG环形振荡器(NPRO)输出单纵模激光的短期频率稳定度进行了测量.激光器输出波长为1645nm.测量了延时时间分别为0.25μs,0.75μs,1.25μs,1.75μs,2.25μs,2.75μs,5.25μs,7.25μs,9.75μs,108.5μs,166μs的输出激光的自外差拍频信号.设置频谱仪的span为20 kHz,扫描时间为10 s,Res BW为51 Hz,VBW为1 Hz,测量拍频信号的3 dB带宽.在延时时间0.25~9.75 μs范围内,通过线性拟合在不同延时下的3dB带宽,得到单纵模NPRO 激光器的短期频率稳定度为201Hz/μs.光纤延时长度为21.7km和33.2km时,测量的3dB带宽约为14kHz.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)006【总页数】5页(P693-697)【关键词】NPRO激光器;单纵模;光纤延时自外差;频率稳定度【作者】崔春旺;纳全鑫;张艺轩;王雨佳;高明伟;王庆;高春清【作者单位】北京理工大学光电学院,北京 100081;北京理工大学光电学院,北京100081;北京理工大学光电学院,北京 100081;北京理工大学光电学院,北京100081;北京理工大学光电学院,北京 100081;北京理工大学光电学院,北京100081;北京理工大学光电学院,北京 100081【正文语种】中文【中图分类】TN2481.6 μm处于人眼安全波段,具有很好的大气传输特性,在遥感、相干多普勒激光雷达、差分吸收激光雷达等领域都有重要价值[1]。

在众多应用领域之中,频率稳定度是激光器的一个重要指标参数。

1.6 μm NPRO激光器由于具有很好的单频特性,可作为激光雷达的种子源,激光器的短期频率稳定度直接影响到雷达的测量精度,所以测量1.6 μm激光输出短期频率稳定度具有重要意义。

国外利用光纤延时自外差法测量激光频率稳定性和激光线宽的方法已有报道。

1980年,T. Okoshi等提出了利用光纤延时自外差法测量半导体激光器超窄线宽的方法[2]。

1986年,L. E. Richter 等搭建了光纤延时自外差的光路,当光纤延时长度比较短时,发现光谱谱宽的FWHM与延时时间近似线性变化[3]。

2000年,S. A. Havstad等认为测量线宽需要延时时间大于10倍相干时间,当光纤延时长度比较短时,频谱的3 dB线宽与延时时间近似线性变化[4]。

2001年,C. Nagasawa等采用拍频自外差法测量2 μm Tm,Ho∶YLF激光器的频率稳定性,测得短期频率稳定度为2.3 kHz /μs[5]。

在国内,2008年,鞠有伦等利用光纤延时自拍法测量了Tm,Ho∶YLF微片激光器单纵模输出频率稳定度为1.48 kHz/μs[6]。

2011年,鞠有伦等利用光纤延时自拍法测量了Tm∶YAG激光器单纵模输出频率稳定度为97 Hz/μs[7]。

本文报道了利用光纤延时自外差法测量Er∶YAG NPRO激光器输出频率稳定度为201 Hz/μs,当延时时间足够长时,测量的3 dB带宽趋于不变。

激光光束经过偏振棱镜进行分束,一路光束经过声光调制器进行频移,另一路光束经过一根长度不等的光纤进行延时,然后对两束光进行合束,合束光入射到探测器上,频谱仪对探测器输出的拍频信号进行频谱分析。

单模激光可认为是一个有相位扰动振幅稳定的准单色电磁场,因此一路光束的光场:另一路光束的光场:利用相干理论,探测器上的总光场:探测器上的总电流强度为:I=(P0+P0cos[-Ωt+(ω0+Ω)τ+φ(t)-φ(t-τ)])式(1)～(4)中，P0为激光器的输出功率；ω0为激光的角频率；τ为光纤延时时间；Ω为声光调制器的迁移频率；φ为相位随时间的变化函数,表示相位的抖动。

利用自相干函数和Wiener-Khintchinev理论(自相关函数的傅里叶变换为功率谱密度)得到拍频信号的频谱为:式中,τc为激光的相干时间；ω为拍频信号频率[3]。

利用matlab软件对式(5)进行仿真,仿真结果如图1所示。

从图1中可以看出,当光纤延时时间较短时,能量主要体现在表征相干特性的第二项δ函数上,而随着延时时间的变长,光能量向表征洛伦兹线宽特性的第一项转移,当延时时间足够长时,δ函数已经基本上不会对洛伦兹线型构成影响。

随着延时时间的变长,δ函数影响逐渐变小,信号上的附加波动也逐渐消失,逐渐展现为准洛伦兹线型。

1645 nm Er∶YAG NPRO激光器光纤延时自外差法实验装置如图2所示。

1645 nm NPRO激光器以单纵模运转,输出波长为1645 nm。

激光光束通过两个45°镜对光路进行折返,两个45°镜对1532 nm 的泵浦光高透,对1645 nm的输出光高反。

之后光束经过光电隔离器、1/2波片、45°反射镜入射到偏振分束棱镜(PBS),激光经过PBS之后分为p光和s光。

p光通过反射镜注入到声光调制器(AOM)中进行频移,AOM的迁移频率为50 MHz,通过45°镜对AOM的一级衍射光进行折返。

s光经过45°镜和耦合头在光纤中传输,并经过长度不等的光纤进行延时,两路光束在平片处进行合束,1.6 μm探测器对拍频信号进行接收,将探测器输出的信号连接到频谱仪上进行频谱分析,频谱仪型号为Agilent-N9020A。

在现有的实验条件下,测量了延时光纤长度分别为50 m,150 m,250 m,350 m,450 m,550 m,1050m,1450 m,1950 m,21.7 km,33.2 km的3 dB带宽。

实验中保持激光晶体温度不变,激光输出功率不变,波长不变且激光器单纵模运转,改变光纤延时长度,1.6 μm探测器探测到拍频信号后,频谱仪对拍频信号进行频谱分析。

分别采用了50 m,150 m,250 m,350 m,450 m,550 m,1050 m,1450 m的光纤来测量输出光的频率稳定度,得到3 dB带宽分别为280 Hz,380 Hz,470 Hz,570 Hz,670 Hz,750 Hz,1320 Hz,1660 Hz。

当光纤延时长度为50～1450 m时,频谱3 dB带宽为280～1660 Hz,测量结果如图3(a)～3(h)所示。

为了提高频谱仪的分辨率,设置Res BW越小越好,但当Res BW设置太小时,相应的噪声也会增大,综合情况下,设置Res BW为51 Hz。

在实验中固定频谱仪扫描范围为20 kHz,改变扫描时间为1 ms,100 ms,10 s,当扫描时间比较短时不能充分体现延时时间内的频率稳定度,只有扫描时间足够长才能充分体现延时时间内的频率稳定度。

最终我们选取扫描时间为10 s,在不同延时光纤长度下都能够测得比较好的频谱信号。

利用matlab软件对测量结果进行线性拟合,激光输出频率稳定度随延时时间变化关系如图4所示,得到激光输出频率稳定度按201 Hz/μs变化,R-square为0.9982,说明线性度是非常好的,能够满足拟合要求。

与此同时,我们测量了延时光纤为21.7 km,33.2 km的3 dB带宽。

测量结果如图5所示。

从图5中可以发现,当延时长度为21.7 km和33.2 km时,测量的3 dB带宽均约为14.0 kHz,说明当延时时间足够长时,测量得到的3 dB带宽是趋于不变的。

按照图4中的线性增长率,延时长度为21.7 km和33.2 km对应的3 dB理论带宽分别应该为22.0 kHz和33.6 kHz,而我们实验测量的结果小于这两个值,表明频率稳定度随延时时间的线性关系具有一定的范围。

利用光纤延时自外差法对Er∶YAG NPRO激光器进行了短期频率稳定度测量。

激光器单纵模运转,光纤延时长度为50 m,150 m,250 m,350 m,450 m,550 m,1050 m,1450 m,对应的延时时间为0.25～7.25 μs,测得频谱信号的3 dB带宽从280 Hz 近似线性增加到1660 Hz,线性增长斜率约为201 Hz/μs。

测量光纤延时长度为21.7 km和33.2 km 时3dB带宽均为14.0 kHz,故当延时时间足够长时,测量得到的3 dB带宽是趋于不变的。

【相关文献】[1] R C Stoneman,R Hartman,A I R Malm,et al.Coherent laser radar using eyesafe YAG laser transmitters[J].Proc SPIE,2005,5791:167-174.[2] T Okoshi,K Kikuchi,A Nakayama.Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum[J].Electron Lett,1980,16(16):630-631.[3 ] L E Richter,H I Mandelberg,M S Kruger.Linewidth determination from self-heterodyne measurements with subcoherence delay times[J].IEEE J QuantumElectron,1986,22(11):2070-2074.[4] S A Havstad,Y Xic,A B Sahin,et al.Delayed self-heterodyne interferometermeasurements of narrow linewidth fiber lasers[J].Department of Electrical Engineering Systems,2000:310-311.[5] C Nagasawa,T Suzuki,H Nakajima,et al.Characteristics of single longitudinal mode oscillation of t he 2μm Tm,Ho:YLF microchip laser[J].Opt Comm,2001,200(1-6):315-319.[6] WANG Zhenguo,ZHANG Yunjun,SHAO Xiaowei,et al.Short-term frequency stability measurement of 2μm Tm,Ho:YLF microchip laser[J].Chinese Journal ofLasers,2008,35(S1):38-40.(in Chinese) 王振国,张云军,邵晓巍,等.2μm Tm,Ho:YLF微片激光器短期频率稳定度的检测[J].中国激光,2008,35(S1):38-40.[7] C T Wu,Y L Ju,B Q Yao,et al.Short-term and long-term frequency characteristics of 2 μm single frequency Tm:YAG laser at room temperature[J].Laser Physics,2011,21(2):356-361.。