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单频光纤激光器

相对强度噪声 RIN

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单频光纤激光器中的噪声源

在理想状态下，单频单纵模激光器的输出激光全部由受激辐射产生，没有自发辐射。 我们使用一个简单的关系表达式来描述输出光和随时间变化的电场矢量。

其中，E0代表强度，ω0代表角频率，Φ0代表初始相位。 单频单纵模激光器在理想状态下输出的光波的频率和相位是恒定的。 输出是频率为 f0 的单一谱线。

事实上，激光器具有自发辐射，导致相位和振幅随机波动，导致激光谱线展宽和输出功率波动。

E0变成E，随机强度扰动称为强度噪声

f0变为ft，随机频率扰动称为频率噪声

Φ0变为Φt，随机相位扰动称为相位噪声

所以自发辐射的随机性是激光噪声的来源。

行波（Traveling Wave）是指行波。 与驻波不同，行波是谐振腔中的过客，就像一些游客一样，不会在谐振腔的领地内停留很长时间。 行波腔单频光纤激光器主要是指单向环形腔的设计。 通常采用光隔离器来保证满足共振条件的模式（即可以共振的波）沿一个方向传播，通过一定比例的分光器来实现激光。 输出。

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什么是相对强度噪声 (RIN)？

单频光纤激光器的强度噪声描述了激光器输出光强度的波动，主要通过相对强度噪声（Relative Intensity Noise：RIN）来衡量。 它的表达式是：

根据表达式的字面解释，它是光功率波动的均方误差与有效噪声带宽(B)内的平均光功率之比。 这样的解释很生硬，换成通俗的理解就容易多了：

首先，必须确定测量时间。 它不能无休止地测量。 这就是所谓的噪声带宽B的概念。标准时间单位定义为1秒，反映在频域上为1Hz。

需要测试尽可能多的功率点，这样可以更准确地计算出光功率的平均值，更准确地描述瞬时功率与平均功率的偏差。

数理统计的运用和均方误差的引入，使这个结果更加准确，更接近实际。

功率偏离均方误差与单位时间（1秒）平均功率平方的比值即为相对强度噪声。 这个值很小，通常用对数形式表示。 单位为 dB/Hz 或 dBc/Hz。 两者的含义与上述基本相同。

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为什么RIN是频域的概念？

答案很简单，因为时域无法测量，瞬时的随机波动无法通过现有的时域测试手段，如光功率计、光谱仪等进行测试，只能依靠频域。

由于无法在时域实现，智能攻城狮将RIN测试移至频域，强度噪声不得不出现在频域，形成噪声谱。 因此，引入了功率谱密度（Power Spectral Density，简称功率谱密度）PSD）的概念。 这样就可以计算出单频激光器的相对强度噪声。 这不，一个可以测量和计算RIN的新表达式出现了：

其中，SP(f)表示输出功率波动谱密度，上面有横线的P表示平均功率，可以通过频谱覆盖的面积来计算。

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RIN的分类

根据不同频段，单频光纤激光器的强度噪声可分为三类：

1、低频段技术噪声：主要来自单频光纤激光器本身的1/f噪声（也称闪烁噪声）、外界环境的干扰等。

2. 中频带弛豫振荡：其基本来源是激光腔内的辐射与增益介质之间的相互作用。 对于单频光纤激光器，泵浦源的波动是产生弛豫振荡现象的主要原因。

3、高频段的量子噪声：又称散粒噪声（shot noise：散粒噪声），主要来自与频率无关的光量子涨落。 对应于量子噪声极限。

对于单频光纤激光器，相对强度噪声（RIN）的抑制主要针对低频技术噪声和中频弛豫振荡，频率从几十赫兹到几兆赫兹不等。

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如何理解RIN的测试谱？

典型的单频光纤激光器RIN测试结果如下：

CoSF-D-EY单频光纤激光器

典型的 RIN 测试结果（未抑制）

横坐标的单位是Hz，代表频率，纵坐标是RIN的值。 这样的频谱是如何获得的呢？ 它根据上面提到的RIN和频域的表达式，计算出单频光纤激光器在不同频段（低频、中频、高频）的RIN值，然后连成这样的曲线。 此RIN测试图可以显示单频光纤激光器在不同频段的相对强度噪声。 例如：RIN的最高点称为峰值，约为-105dBc/Hz，对应的频率为1MHz左右。 这是CoSF-D-EY系列分布式反馈（DFB）型单频光纤激光器弛豫振荡峰的表现。

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什么是张弛振荡？

弛豫振荡是光纤激光器和半导体激光器的基本特性之一。 它是谐振器中的辐射与增益介质相互作用的结果。 只要增益介质上层粒子的寿命远大于谐振器中光子的寿命，就会发生弛豫振荡。

弛豫振荡是光纤激光器强度噪声的主要原因光纤光谱仪的优缺点，单频光纤激光器抑制相对强度噪声的主要目标是抑制弛豫振荡。

我们来看看张弛振荡的产生过程：

在示意图中，上图的纵坐标表示能级反转的粒子数，下图的纵坐标表示激光谐振腔中的光子数。 可见，只要有泵浦激发，单频光纤激光器的谐振腔不断重复上述过程，张弛振荡现象不可避免，而张弛振荡是强度噪声的主要影响因素。单频光纤激光器。

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引起单频光纤激光器弛豫振荡的因素

• 泵浦激光器的输出功率扰动

• 单频光纤激光谐振器中的损耗扰动

• 机械振动

• 单频光纤激光谐振器的热扰动

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单频光纤激光器RIN的特点

单频光纤激光器的弛豫振荡是产生相对强度噪声(RIN)的主要原因，而弛豫振荡主要受泵浦功率波动的影响。 总之，单频光纤激光器的RIN具有以下特点：

1）单频光纤激光器的谐振腔越长，RIN的峰值频率越低，反之亦然。 很容易理解，腔长越短，弛豫振荡出现得越快。 高峰值频率意味着张弛振荡发生的时间很短。

2）水泵功率越大，RIN的峰值频率越高。 同理，泵的激发越强烈，弛豫振荡出现得越快。

3）泵浦功率越大，RIN的峰值越低，可以从更多的粒子同时被激发并跃迁到高能级的角度理解。

4）RIN的峰值越高，说明此时单频光纤激光器的瞬时功率波动越剧烈。

对于单频光纤激光器，相对强度噪声非常重要。 RIN过高会导致整个系统的信噪比下降光纤光谱仪的优缺点，降低整个系统的性能。 一些相干探测、分布式光纤传感和相干激光LiDAR领域需要低相对强度噪声（RIN）的单频光纤激光器。

由于单频光纤激光器不可避免的弛豫振荡现象，在中频段（一般为数百kHz至MHz）存在弛豫振荡峰值，相对强度噪声（RIN）的峰值较高。 通常，需要采取必要的措施来调整 RIN 抑制。

抑制RIN的方法有很多，包括光电负反馈法、半导体饱和放大法等，各有优缺点，我们将在以后的产品技术讲座中进行介绍。

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连接器

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上海汉宇产品技术小讲堂：单频光纤激光器系列！ 后面我们会逐步介绍以下内容：

1、DBR型单频光纤激光器

2. CoSF-R优化行波腔超窄线宽单频光纤激光器

3、单频光纤激光器的相位噪声和相对强度噪声

4、单频光纤激光器与单频半导体激光器的比较

5、单频光纤激光器的应用

※※关于上海汉星

上海汉宇致力于领先的光纤激光器、光纤放大器、激光雷达光源及相关产品的研发和生产。 以技术创新为导向，在激光雷达LIDAR、光纤传感、工业激光、光纤通信等领域提供科研服务。 和生产应用，提供代表前沿技术和未来发展趋势的产品和服务。 经过多年的积累和发展，公司形成了以单频光纤激光器、脉冲光纤激光源、大功率光纤放大器、特种光纤激光器为主导的系列产品。 在高性能光纤激光器研发、测试测量、光谱分析、光纤通信等领域提供创新产品解决方案。