极窄线宽激光测试技术
技术概述
极窄线宽激光线宽测试技术，简单来说，就是能够对极窄线宽单频激光的线宽进行精确表征的技术。随着激光技术的不断进步，单频激光可实现的线宽越来越窄，这对线宽测试技术提出了更高的要求，简单的光谱探测逐渐不能满足生产研究的需要。极窄线宽激光测试技术正是在这样的背景下应运而生，它以其高精度、高分辨率的特性，成为激光生产研究中重要的一环。
主要测量方法
极窄线宽激光测试技术的核心在于通过特定的测试设备和方法，对单频激光器的输出光谱进行精确的测量和分析。目前主流的方式是通过拍频的手段，主要分为三种，双光束外差，延迟自零差，延迟自外差。
双光束外差：
如图(a)所示，引入一束参考激光，与待测激光进行拍频，分析拍频信号即可获得激光线宽信息。优点是光路简单，缺点在于需要引入额外的参考激光源，且对于参考激光源有着很高的要求，一般情况下需要参考激光线宽优于待测激光两个数量级。
延迟零频自外差法：
如图(b)所示，延迟零频自外差的方法，通过将待测激光分束后，分别经由不同的光程，耦合后打入光电探测器(PD)，获得拍频信息。相较于双光束外差的方式，延迟零频自外差不需要引入额外的激光源，但对于光程差有一定要求，对应到光路即光纤延迟长度有着要求。对于长延迟零频自外差方法，需要将待测激光完全解相干，即要求延迟光纤长度大于待测激光相干长度，对于线宽越窄的激光，其相干长度越长，需要的延迟光纤也就越长。且由于拍频信号零中频的影响，其受到外界环境噪声影响较大，不利于精确测量。
延迟非零频自外差法：
图(c)所示为基于马赫曾德干涉仪(MZI)延迟自外差原理图，图(d)则为基于迈克尔逊干涉仪（MI）延迟自外差原理图，两者仅在光路上具有细微的差别，其本质是通过将待测激光分束后，一束激光经过声光调制器(AOM)移频，两束激光经由不同的光程后拍频，分析拍频信号可得到待测激光线宽信息。同延迟零频自外差法不同，自外差法由于移频器件影响，其拍频信号并非零频，所以对于外界环境噪声不敏感。
在利用延迟零频自外差法或延迟非零频自外差法的方法中，会出现以下两种情况。
长光纤延迟：
当延迟光纤长度大于待测激光相干长度时，即待测激光分束后完全解相干，则拍频信号在频谱分析仪(ESA)上将会出现如下图红线所示拍频信号，通常认为，该拍频信号的3dB线宽近似激光高斯线宽，20dB线宽近似激光洛伦兹线宽。
短光纤延迟：
若延迟光纤长度小于待测激光，即待测激光分束后未完全解相干，拍频信号在ESA上将会出现如下图所示情况，这种情况数据处理较为复杂，拟合相对较为繁琐。面对该种情况，可采取借由拍频信号计算待测激光频率噪声功率谱密度的方式，通过对噪声积分得到线宽近似值。公式如下所示。利用功率谱密度计算的优点在于，可测量极窄线宽的激光器，精度高，并且由于延迟光纤长度小，在光链路中的损耗小，对入射光功率要求较低，可探测较弱的激光。缺点在于计算的数据量相对较大，对软硬件有一定的要求。
北京大学长三角光电科学研究院微纳光学精准检测研究室激光相噪测试仪已完成样机定型。北京大学长三角光电科学研究院，采用短延迟非零频自外差的方式，计算激光的相频噪声功率谱密度，并可根据功率谱密度计算激光线宽。该装置采取的硬件解调算法，在确保高精度、高灵敏度的同时，大大减小了单次测量所需要的时间。
该测试系统评估激光器的相位噪声特性，从而判断激光器的质量和稳定性。通过测量和比较不同激光器的相位噪声，可以更好的改进激光器设计，确保系统的可靠性和稳定性。目前，开发的激光相噪测试仪已具备最低-150dB/Hz的噪声极限，可测试最小瞬时线宽0.1Hz，最小积分线宽测试极限可达50Hz。
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