單頻激光器在諸多領域發揮重要作用
發布人:新特光電 時間:2020-01-04 關注:

自1960年首臺紅寶石激光器問世以來,激光技術經歷了多次變革,目前已成為覆蓋工業加工、通信、醫療、軍事等多個領域的重要技術。而近年來最為人熟知的便是光纖激光器。

光纖激光器市場概況

眾所周知,按工作介質不同,可將激光器分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器、半導體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6種。與其他激光器相比,光纖激光器擁有結構簡單、轉換效率高、光束質量好、維護成本低、散熱性能好等優點,因此,目前光纖激光器已經成為金屬切割、焊接等傳統工業制造領域的主流光源。

盡管光纖激光器是當前激光器市場里的最大玩家,但近年來中國光纖激光器市場同質化競爭嚴重,尋找差異化優勢成了各企業重視的課題。我們今天要討論的主角,便是除了具有激光本身良好的單色性和方向性外,還有著普通激光器難以達到的長相干長度、窄譜線寬度優點的單頻光纖激光器。

何為單頻光纖激光器?

所謂單頻激光器,即單縱模激光器,是一種基于半導體激光器泵浦,稀土摻雜光纖作為增益介質,結合相對復雜的控制技術的高精密單縱模超窄線寬激光光源。這種激光器能提供低的相位噪聲和相對強度噪聲,極窄的頻譜線寬和長相干長度。

單頻光纖激光器最早出現于20世紀90年代,經過近30年的發展已取得了長足進步。與材料加工領域用的高功率光纖激光器不同,這種位于光纖激光市場另一賽道上的單頻激光器,因其獨特的性質和特點,有著截然不同的應用場景。

由于單頻激光器線寬窄、噪聲低,這意味著它對高精密的震動較為敏感,且較長的相干長度確保了長距離傳感的精度,因此單頻激光器在高精度/高靈敏度/遠距離傳感系統、下一代通信技術、相干技術、遙感技術、相干激光雷達等多個領域有著突出優勢。

單頻激光器四大關鍵性能指標

單頻光纖激光器的主要性能指標包括相位噪聲、相對強度噪聲(RIN)、線寬、波長穩定性和頻率漂移。

所謂相位噪聲,即單頻激光器所發激光的頻譜譜線不再是單一的線條,而是有一定的寬度,這個寬度的大小即反映單頻激光器相位噪聲的高低。相位噪聲的具體表現為:以觀測點為基準,光波隨著時間變化在相位上隨機起伏或延遲。相位噪聲是衡量單頻激光器最重要的參數之一,對單頻激光的線寬有著重要影響。

相對強度噪聲是指激光器的輸出平均功率和某個頻率下的噪聲的比值。在實際應用中,單頻激光器的相對強度噪聲往往會作為重要的噪聲源,影響相干探測系統(如連續工作的相干多普勒測風激光雷達、相位敏感型OTDR系統解調系統)的本底噪聲水平。

單頻激光器的線寬是一種頻域的概念,可以理解為頻譜的譜線寬度。從單頻激光器的相位噪聲描述中可以得出,相位噪聲能夠直觀反映單頻激光器的線寬。對單頻激光器的線寬測試通常通過延時自外差非平衡M-Z干涉儀的方式進行,其線寬測試和積分時間(或者說延時光纖長度)相關。

波長穩定性和頻率漂移是單頻激光器性能的直觀體現。由于單頻光纖激光器具有較長的諧振腔長度,采用了對溫度和應變及振動敏感的關鍵器件-光纖光柵,其波長穩定性或者頻率漂移是一種挑戰。

單頻激光器市場現狀及應用前景

經歷了幾十年的發展后,單頻光纖激光器技術已經發展相對成熟且完善,作為一種重要的高精密光源,單頻光纖激光器的應用領域非常廣泛。盡管與主流材料加工市場的大功率光纖激光器相比,單頻激光器市場體量較小,但憑借獨特的性能以及特殊領域的廣泛應用,將成為激光技術隊伍里的重要補充。

目前,單頻激光器主要用于分布式光纖聲波傳感系統、周界安全、水聽、用于相干激光雷達系統實現高精度的成像、速度和距離的遙感探測。此外,石油和天然氣勘探系統、管道監控、氣體泄露檢測、冷原子物理、空間激光通信以及微波光子學等領域,單頻激光器也將發揮重要作用。

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