激光器噪声：类型、来源、影响及降噪方法

激光器噪声：类型、来源、影响及降噪方法

激光器的输出信号不可避免地会包含噪声，这些噪声可能源于量子效应或技术因素，对激光器的性能和应用产生重要影响。本文将详细介绍激光器噪声的类型、来源、影响以及降噪方法。

激光器噪声的类型

激光器噪声主要可以分为以下几类：

1. 单频激光器噪声：在单频激光器中，存在强度噪声（或振幅噪声）和相位噪声。相位噪声会导致有限的激光线宽，并与频率噪声相关，通常会限制激光的时间相干性。

2. 多模激光器噪声：多模激光器中，通常存在较强的模拍频噪声和模分配噪声，即谐振腔模式中的功率分配涨落。某一模式的功率涨落可能比总功率涨落还要大。

3. 锁模激光器噪声：锁模激光器包含脉冲时间位置的变化噪声（参阅时间抖动）和中心频率噪声，脉冲时间噪声和啁啾。对于谐波锁模，则存在超模噪声。

4. 波束指向涨落：任何激光器都包含波束指向涨落。

图1：固体激光器的强度噪声光谱

激光器噪声的来源

激光器噪声的来源可以大致分为两类：

1. 量子噪声：主要是增益介质中的自发辐射。

2. 技术噪声：包括泵浦光源的附加噪声、激光器谐振腔的摆动、温度涨落等。

激光器噪声的影响

激光器噪声在许多应用中都非常重要：

1. 高精度光学测量：如频率测量、光谱学或干涉仪中需要很低的强度噪声和相位噪声。

2. 光纤通信系统：数据传输速率通常受限于激光器和放大器噪声。

3. 精密激光材料加工：需要最小化波束指向涨落和脉冲能量变化。

降噪方法

降低激光器噪声的方法主要包括：

1. 降低量子噪声：可以通过提高腔内功率或使光学损耗最小化来实现。

2. 减少技术噪声：例如，制作稳定激光谐振腔、采用温度稳定装置或使用低噪声的泵浦光源。

3. 抑制跳模现象：可以采用光滤波器。

4. 激光器稳定技术：存在多种有源或无源技术实现激光器的稳定。

有效减小噪声的一个先决条件是了解噪声的来源，同时还需要知道决定激光器对噪声影响灵敏度的参数。因此，减小噪声影响或减小激光器对噪声的灵敏度都是有效的降噪方法。