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小火龙果

2023-09-14 10:35

RP Fiber Power | 强度噪声

强度噪声

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。

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。

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.
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。

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：

特定测量带宽的均方根值
功率谱密度 S(f)

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。

强度噪声的测量

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：

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。

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。

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。
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。

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.

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.

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图1:固态激光器的强度噪声谱。

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。

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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