理想量子极限线宽
这里假设增益介质理想:每过一个光子寿命,自发辐射就往激光模式里补进一个光子。前面的系数依赖这些假设,并不适用于所有激光器。
L30 · 跟随相位,直到频谱出现
相位噪声如何变成激光线宽? 相位在随机游走,隔得越久,光场越记不住原来的相位,相干性一点点丢掉,频谱就展宽成有宽度的谱线。测出的线形取决于噪声类型、拍频用的参考激光和观测时间,单看一次频谱的最高点说明不了问题。
让激光相位做一次可复现的随机漫步,再看由它算出的拍频谱、频率噪声谱密度和相干性。改变光子寿命、输出功率、技术噪声和观测时长,比较结果。
物理教程
背景就算振幅不变,自发辐射和技术性的频率抖动也会不断改变激光的相位。
为什么值得理解同一段模拟 I/Q 记录看两遍:在时域里看相位怎样漫游,在频域里看频谱。
先抓重点
这里假设增益介质理想:每过一个光子寿命,自发辐射就往激光模式里补进一个光子。前面的系数依赖这些假设,并不适用于所有激光器。
激光和参考各有一份独立的白相位噪声,两者的线宽在拍频里相加。
这种频率噪声是平稳的,前后大约在一个相关时间内彼此相关。模型把噪声和它积累出的相位一起推进,所有频谱都来自同一段记录。
绿色曲线是单边连续参考,不含振动谱线和采样效应。实测 PSD 由记录下来的相位增量算出。
这条指数曲线是只有白噪声时的系综平均。从一段有限记录按延迟平均出来的相干性,可能偏离这条曲线。
光学谱对整段记录加一个 Hann 窗;频率噪声 PSD 把四段较短的窗平均。半功率谱宽直接在频谱上量出,不是拟合的半高全宽。
容易误解每条宽谱线都是 Lorentzian,最高那一格附近的宽度就是激光的本征线宽。
正确理解有色噪声和振动会改变谱线形状。报一个宽度之前,先讲清楚观测了多久、用的是哪种宽度。
容易误解读拍频时,可以不管参考激光的噪声。
正确理解两台独立激光的白噪声线宽在拍频里相加。除非确知参考很安静,拍频没法单独给出任何一台的线宽。
用同一个种子,分别采集“理想量子缩放”“更高功率”“更短光子寿命”三个预设。
你会看到: 功率越高,理想相位扩散越慢;光子寿命越短,扩散越快。采集“相关漂移”“振动边带”“有噪声参考”三个预设。
你会看到: 三种噪声留下的痕迹不同:漂移让相位慢慢漫游,振动带来分立的边带,有噪声的参考把拍频展宽。先比较短记录和长记录,再点“更换噪声实现”。
你会看到: 表观谱宽随频率分辨率变化,每换一次随机实现也会有起伏。